Помоги проекту - поделись книгой:
— сверхвысокие частоты (СВЧ), или сантиметровые волны — от 3 до 30 гигагерц (от 10 до 1 сантиметра);
— крайне высокие частоты (КВЧ), или миллиметровые волны — от 30 до 300 гигагерц (от 10 до 1 миллиметра);
— гипервысокие частоты (ГВЧ), или децимиллиметровые волны (их раньше называли субмиллиметровыми) — от 300 до 3000 гигагерц (от 1 до 0,1 миллиметра).
Американские инженеры часто пользуются термином микроволны. Он постепенно прививается и у нас благодаря переводной литературе. Под понятием микроволны подразумеваются радиодиапазоны, длины волн которых менее одного метра.
Именно с диапазонами УКВ связан расцвет радиотехники. Область УКВ настолько просторна, что в ней помещается и радиовещание, и телевидение, и радиолокация, и спутниковая и радиолинейная связь, и разного рода промышленная, медицинская, научная радиоэлектроника…
Помимо своей информационной вместимости, диапазоны УКВ экономичны. Они позволяют сконцентрировать энергию волны в узком луче, и чем короче волна, тем уже и информативнее луч.
Как же удалось человеку найти радиоволны и овладеть ими — этим богатством, которое мы почти не замечаем, но без которого современное бытие уже невозможно?
"НЕ БОГ ЛИ ЭТИ ЗНАКИ НАЧЕРТАЛ?"
ОТ ФАЛЕСА ДО ФАРАДЕЯ
Истоки радио восходят к открытию единства и взаимосвязи электричества и магнетизма. О существовании электрических и магнитных явлений люди знали еще в древние времена.
Вспомним легендарного грека Фалеса из Милета, жившего в VI веке до нашей эры. Говорят, у его златокудрой дочери было янтарное веретено. Она будто и заметила электризацию янтаря — его свойство притягивать пылинки, нити, кусочки папируса при трении о шерсть. Может быть, это и сказка, но историки свидетельствуют, что янтарь был тогда в большом ходу и на столь необычное свойство наверняка обратили бы внимание. Не исключено, что именно история с янтарным веретеном много веков спустя подарила миру новое слово — «электричество». Ведь обработанный янтарь по-гречески — электрон, что значит «притягивающий к себе».
Столь же древнюю историю имеет и магнит. Три тысячи лет назад в Китае уже пользовались простейшим компасом — указателем юга. А вот еще одно древнее применение магнита, сильно напоминающее современный прибор, с помощью которого в аэропортах определяют наличие у пассажиров металлических предметов.
Как утверждают китайские ученые, нечто подобное уже было двадцать два века назад в городе Чан-Яне (нынешнем Сиане). Там ворота перед дворцом правителя были сделаны из магнитного железа. Ни один злоумышленник не мог пронести тайком через эти ворота оружие. Невидимая сила «вытаскивала» нож или меч из-под одежды, и стража уводила преступника в темницу…
По утверждению Платона, название «магнит» дано Эврипидом. По версии Плиния, свое имя магнит получил в честь сказочного пастуха Магниса, у которого к сандалиям и к палке прилипали странные камни. В сандалиях были железные гвозди, а у палки железный наконечник.
Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей» утверждает, что слово «магнит» происходит от названия провинции Магнезия (теперешнее название Манисса). Есть там гора, где до сих пор встречаются магнитные камни.
Впервые связь между электричеством и магнетизмом обнаружил Ганс Христиан Эрстед — профессор химии Копенгагенского университета. А точнее не он, а студент, имя которого не вошло в историю. Как-то Эрстед читал лекцию, по ходу которой он демонстрировал свойство электрического тока нагревать проволоку. Рядом с проволокой лежал компас, никакого отношения к опыту не имевший, и один из студентов заметил движение стрелки компаса в тот момент, когда Эрстед включал и выключал ток.
Говорят, что случайность — дополнение неизбежности. За несколько лет до опыта Эрстед писал: «Следует испробовать, не производит ли электричество… каких-либо действий на магнит…» Данное открытие, пожалуй, еще одна иллюстрация к словам Луи Пастера: «Случай помогает лишь умам, подготовленным к открытию». Так было положено начало новой отрасли физики — электромагнетизму.
«Памфлет» Эрстеда с описанием опыта попал к французу Араго. Тот повторяет опыт и докладывает о новом явлении 4 сентября 1820 года на заседании академии в Париже. Доклад слушает Ампер. Он чувствует, что пришел наконец миг, которого он неосознанно ждал всю жизнь. Две недели напряженной работы, и его имя вошло в историю. Все мы знаем, что ампер — единица измерения электрического тока. Именно Ампер первым произнес слова «сила тока». Но не в том главная его заслуга. «…Я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам» — эти слова Ампера сохранились в протоколе заседания академии от 18 сентября 1820 года. Ампер показал, что два проводника, по которым течет электрический ток, притягиваются или отталкиваются подобно магнитам. А катушки с током взаимодействуют друг с другом как настоящие магниты. Он определил и направление действия электромагнитной силы в своем знаменитом «правиле пловца»: «Если дана проволока и направление идущего по ней тока, то следует представить себе наблюдателя, плывущего вместе с током и обращенного лицом к стрелке, тогда северный полюс стрелки отклонится в ту сторону, где находится левая рука наблюдателя». Так родилась электродинамика Ампера, сводящая все магнитные явления к электрическим.
Прошло 11 лет, и англичанин Майкл Фарадей решил обратную задачу: получил электричество с помощью магнита. 17 октября 1831 года он, быстро вдвигая намагниченный железный сердечник в катушку, убедился в том, что в какой-то момент времени в цепи катушки возникает импульс тока. Вот как писал сам Фарадей: «Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я также быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался. Значит, электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».
До Фарадея такие же опыты проводил Ампер. Но он работал без помощника. Пока он после вдвигания сердечника шел в другую комнату (во избежание ошибок, связанных с сотрясением приборов, они были разнесены в разные комнаты), ток, возникавший только во время движения магнита, уже исчезал. Так Ампер пропустил открытие электромагнитной индукции.
Независимо от Фарадея примерно в то же время индукцию наблюдал американец Джозеф Генри, преподаватель гимназии в Олбани. Генри проводил опыты с электромагнитами, в конструировании которых достиг больших успехов. «Мне следовало напечатать это раньше, — сокрушался он впоследствии. — Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему». Фарадей же отчеты о своих опытах публиковал регулярно.
Налицо была явная связь между электричеством и магнетизмом: электрический ток создает магнитное поле, а движущийся магнит создает электрическое поле.
Когда Фарадей продемонстрировал английскому королю Георгу IV свой опыт, тот, нахмурившись, спросил:
— Почему ваше изобретение не приносит практической пользы?
— Ваше величество, — ответил физик, — а какую пользу приносят дети, только что появившиеся на свет?
Фарадей интуитивно чувствовал, какую пользу в будущем принесет его открытие. Интересно, что уже у Фарадея возникла мысль о бегущих электрической и магнитной волнах. Но мысль была тогда так кощунственна, что он не осмелился опубликовать ее. Правда, приоритет свой все-таки решил зафиксировать. 12 марта 1832 года он передал для хранения в архив Королевского общества конверт в запечатанном виде с надписью «Новые воззрения, подлежащие в настоящее время хранению в архивах Королевского общества».
Конверт был вскрыт через 106 лет — в 1938 году.
«Я пришел к заключению, — было написано на пожелтевшем листке бумаги, — что на распространение магнитного воздействия требуется время, которое, очевидно, окажется весьма незначительным. Я полагаю также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности… По аналогии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции… В настоящее время, насколько мне известно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов».
В то время в физике господствовала концепция «дальнодействия» — представление о мгновенном воздействии одного тела на другое на расстоянии без помощи какой-либо промежуточной среды. Она утвердилась со времен Ньютона. Полагали, что сила тяжести передается мгновенно на любое расстояние. Уже Ньютону такое предположение виделось рискованным. Как можно представить себе воздействия, распространяющиеся без задержки на фантастические расстояния? Однако работы французских физиков Кулона, Ампера, Био, Савара, Араго в области электричества и магнетизма, основанные на принципе «дальнодействия», составили стройную, математически изящную теорию, которую, казалось, невозможно опровергнуть. Способность масс, электрических зарядов и магнитов воздействовать друг на друга мгновенно, без посредства среды признавалась свойством самой материи. Считалось, что силы взаимо действия направлены по прямым линиям,, которые можно провести от тела к телу, от одной частицы к другой, причем силы действуют мгновенно, как бы перепрыгивая через расстояния.
Реалисту Фарадею трудно было примириться с «дальнодействием». Он был убежден, что «материя не может действовать там, где ее нет». Ему мыслилась какая-то среда, заполняющая даже пустоту, через которую последовательно от точки к точке передаются электрическое и магнитное воздействия.
Среду эту Фарадей назвал полем. Он считал, что поле пронизано электрическими и магнитными силовыми линиями. Силовые линии не какая-то абстракция. Можно воочию убедиться в их существовании. Вспомните школьные опыты с железными опилками. Если их рассыпать по бумаге, а снизу поднести магнит, то они «нарисуют» нам картину магнитных силовых линий. Кстати, впервые представление о силовой линии появилось у петербургского академика Эпинуса. Потом их использовал немецкий физик Зеебек в работе «О магнетизме электрической цепи» (1822 год). Именно Зеебек проделал опыт с железными опилками, только вместо магнита он взял согнутую в дугу стальную ленту, по которой был пропущен ток.
Нетрудно увидеть наглядно и силовые линии электрического поля, возбуждаемые в окружающем пространстве электрическим зарядом. Если продолговатые частицы какого-либо диэлектрика, то есть вещества, не проводящего ток, взболтать в вязкой жидкости, например в касторовом масле, и поместить их в электрическое поле, то частички сориентируются по направлениям силовых линий. Так поведут себя, например, легкие пробковые крошки.
Созерцание этих картинок наводит на мысль, что и вблизи магнита, и вблизи электрического заряда состояние окружающего их пространства изменено. Пространство перешло в напряженное состояние или, иными словами, как считал Фарадей, в пространстве возникло поле.
Всякое воздействие передается не мгновенно, а через поле — от точки к точке, словно через невидимую жидкость. (Вспомним наши опыты с волнами на пруду.) Такой механизм передачи сил через среду назвали «близкодействием». И он принят современной физикой. Поля стали универсальным ее инструментом.
ВСЕГО ЧЕТЫРЕ СТРОЧКИ
Фарадеевская идея поля пришлась по душе английскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу. Интересно, что он родился всего на несколько месяцев раньше открытия Фарадеем электромагнитной индукции. Максвелл связал воедино электричество и магнетизм, создал теорию электромагнитных волн, на что ему потребовалось около 20 лет.
Итак, какие исходные данные, если выразить их на понятном нам всем языке, послужили основой для новой теории?
Во-первых, в пространстве вокруг неподвижных электрических зарядов существует электрическое поле;
во-вторых, в пространстве, окружающем магнит, есть магнитное поле;
в-третьих, движущиеся электрические заряды, то есть электрический ток, порождают магнитное поле;
в-четвертых, взаимное перемещение магнитного поля и проводника наводит в последнем электричество.
Максвеллу было 24 года, когда он начал свою работу в области электромагнетизма. В то время (как мы знаем) фарадеевская концепция поля электрических и магнитных силовых линий не принималась всерьез. «Я никак не могу себе представить, чтобы кто-нибудь, имеющий понятие о совпадении, которое существует между опытом и результатами вычисления, основанного на допущении закона дальнодействия, мог хотя бы один момент колебаться, чему отдать предпочтение: этому ясному и понятному действию или чему-то столь неясному и туманному, как силовые линии», — писал один из виднейших физиков того времени королевский астроном Джордж Эйри. Действительно, когда теория имеет Дело с неподвижными зарядами и магнитами, в понятии поля нет особой нужды, хотя силовые линии упрощают решение задач, позволяют обходиться без «высокой» математики, как это делал Фарадей.
В 1864 году Максвелл закончил работу «Динамическая теория поля». В ней он привел знаменитые уравнения, названные впоследствии его именем. Уравнения — начало нового этапа в физике. Они имеют такое же значение для электромагнетизма, как законы Ньютона для механики. Их можно назвать фундаментом физики.
Ведь последующие достижения физики — теория относительности и квантовая механика — включают в себя и законы Ньютона, и уравнения Максвелла.
В 1873 году увидел свет знаменитый двухтомник Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме». Книги содержали все его знания и раздумья об электричестве и магнетизме. Он стремился дать систематическое изложение всего известного о данных явлениях, и так получилось, что его собственные исследования оказались разбросанными в общем потоке текста.
Лишь немногие физики поначалу оценили значение Максвелловой теории электромагнитного поля. Один из них, Людвиг Больцман, восхищенный уравнениями Максвелла, процитировал по их поводу строки из «Фауста»:
Всего четыре строчки содержат уравнение Максвелла. Но из этих четырех уравнений вытекают, или, во всяком случае, им не противоречат, любые электрические и магнитные явления. Электромоторы, электрогенераторы, радио, телевидение, локаторы, электробритвы, телефон, линии электропередачи, ЭВМ, трансформаторы, плазма, ускорители заряженных частиц, процессы при управляемом термоядерном синтезе и в глубинах Вселенной… — все, что так или иначе связано с электричеством и магнетизмом, подчиняется уравнениям Максвелла.
Хотя форма записи уравнений кратка и на первый взгляд довольно проста, но чтобы применить их и решить для конкретного случая, нужна подчас высокая инженерная и математическая квалификация, выдумка, интуиция. Тем не менее физический смысл уравнений понятен.
Первое уравнение (нумерация условная) гласит, что электрическое поле образуется зарядами и его силовые линии начинаются и кончаются на зарядах.
Второе уравнение описывает магнитные силовые линии: они не имеют ни начала, ни конца, поскольку свободных магнитных зарядов нет. Это кольцеобразные замкнутые линии.
Казалось бы, магнитные заряды должны существовать. Ведь магнитное поле между полюсами постоянного магнита очень похоже на электрическое поле между двумя разнесенными электрическими зарядами разного знака. Естественно было думать, что магнитное поле имеет свои источники, которые связаны с ним таким же образом, как электрический заряд связан с электрическим полем. Тогда, например, «северный полюс» стрелки компаса был бы местом скопления магнитных «зарядов» одного вида, а на «южном полюсе» был бы избыток зарядов другого вида.
Природа по некоторой причине не использовала такую возможность. Мир вокруг нас оказался совершенно несимметричным в том смысле, что магнитных зарядов не существует. Во всяком случае их никому не удалось обнаружить. Высказывались предположения, что пары магнитных полюсов, подобно парам элементарных частиц, могут возникать и разлетаться в ядерных взаимодействиях, происходящих при больших энергиях. Поиски таких частиц, названных магнитными монополями, производились в последнее время, но без успеха. Полагают также, что монополи существовали сразу же после Большого взрыва.
Так или иначе, вопрос о том, могут ли существовать монополи, остается открытым. Если же когда-нибудь кто-либо открыл бы монополь, то это событие не порушило бы Максвеллову теорию. Просто в той области, где будет найден монополь, второе уравнение не будет соблюдаться. Как бы там ни было, говоря языком математической логики, высказывание: «обычное вещество «сделано» из электрических, а не магнитных зарядов» — всегда останется истинным.
Третье уравнение — общий случай закона электромагнитной индукции Фарадея: любое изменение магнитного поля генерирует в соответствии с этим уравнением вихревое электрическое поле.
Но вот последнее уравнение содержит нечто новое. Раньше была известна только часть его, которая годилась для постоянных токов, — закон Ампера, утверждающий, что текущие по проволоке электрические заряды (а точнее постоянный ток, то есть движущиеся заряды, среднее число которых, в единицу времени проходящих через сечение провода, одно и то же в любой момент времени) создают определяемое уравнением Ампера магнитное поле.
Связав воедино с помощью уравнений открытые до него законы, Максвелл увидел, что система несовместна. Значит, как мы помним из школьного курса, она не имеет решения. Чтобы сделать систему совместной, ученый добавил в последнее уравнение всего одно слагаемое, коему и обязано радио своим происхождением.
Что это была за «добавка»? К току движущихся зарядов (или, как его еще называют, току конвекции, или проводимости) Максвелл прибавил воображаемый ток смещения. Так он назвал меняющееся во времени электрическое поле. Оно, подобно электрическому току, рождало точно такое же магнитное поле, поэтому Максвелл назвал его тоже током — током смещения. Почему смещения?
Причины носят исторический характер, и история очень долгая. Подробно ее касаться не будем. Истоки ее восходят к громоздкой механической модели Максвелла из шестеренок, на которой он изучал электромагнитные явления. Модель, возможно, и привела его к великому открытию. Как-то он изучал диэлектрики. Известно, что диэлектрики не проводят электричества. В них, в отличие от металлов, нет зарядов, могущих перемещаться на значительные расстояния и переносить электрический ток. Максвелл заметил, что определенные шестеренки в его модели смещались, когда он имитировал на ней включение и выключение электрического поля. Он прозорливо усмотрел в этом следующую аналогию: под действием внешнего электрического поля заряды, входящие в состав диэлектрика, не срываются полем со своих мест, а лишь несколько смещаются. То есть сами молекулы остаются неподвижными, однако электрические частицы противоположных знаков (протоны и электроны), входящие в состав молекул диэлектрика, должны под действием сил поля смещаться в противоположные стороны. Молекула деформируется, или иначе — поляризуется.
Большая научная смелость потребовалась Максвеллу, чтобы отождествить смещение связанных в молекуле зарядов с электрическим током. Такого тока ранее никто не наблюдал. Максвелл признал за ним право создавать собственное магнитное поле, сделал его в этом отношении равноправным с обычным током, текущим по проводнику.
Если рассматривать последнее уравнение отдельно, то само по себе введение тока смещения мало бы что дало. Но в совокупности с остальными тремя уравнениями эта добавка, можно сказать, произвела революционный переворот в физике.
Максвелл так и не отрешился полностью от механической модели. Для своей теории электромагнитного поля ему понадобился эфир — неощутимый вид материи, которым заполнено все мировое пространство. Ток смещения — смещение частиц эфира. И действительно, если в какой-нибудь вакуумный сосуд поместить две пластины и соединить их с источником переменного тока, то на помещенную поблизости магнитную стрелку будет воздействовать переменное магнитное поле так же, как если бы в пространстве между пластинами протекал поток электронов, или иначе конвекционный ток. Впоследствии теория эфира отмерла, но уравнения Максвелла от этого нисколько не пострадали. Название тока смещения стало историзмом, а его дублер — переменное от времени электрическое поле — ничуть не хуже выполняет функции колебания частиц эфира.
«Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено», — писал об уравнениях Максвелла немецкий физик Генрих Герц. Ему первому удалось экспериментально доказать правильность Максвелловой теории.
Именно Генрих Герц, а точнее — англичанин Оливер Хевисайд и Генрих Герц (приоритет Хевисайда признал сам Герц) придали уравнениям тот изящный вид, в котором они и представлены в современных учебниках и научной литературе.
ОЗАРЕНИЯ ОЛИВЕРА ХЕВИСАЙДА
С именем Оливера Хевисайда связаны многие открытия в области физики, прикладной математики, телеграфии. Это был гениальный самоучка, намного определивший свое время.
В частности, за 15 лет до Эйнштейна он получил знаменитую зависимость между энергией и массой Е = mc2, известную ныне как формула Эйнштейна.
Он был одним из создателей векторного исчисления. Теперь начала векторного исчисления преподают в школьном курсе математики и физики, но в то время, около ста лет назад, хотя понятие вектора и было известно, им практически не пользовались для описания физических явлений. Векторный способ представления уравнений Максвелла сделал их более наглядными и более доступными.
Курсы теоретических основ электротехники и радиотехники для студентов вузов электротехнических и радиотехнических специальностей начинаются с операторного метода расчета цепей, созданного Хевисайдом.
Для исследования переходных процессов в электрических цепях, то есть для изучения того, что в них происходит после подключения или отключения питания, при импульсных воздействиях Хевисайд ввел специальную функцию, которая получила название функции Хевисайда.
В приложении к электрическим цепям это, по сути, единичный скачок напряжения, а математически — такая функция равна нулю во все отрицательные моменты времени и равна единице во все положительные моменты времени.
Хевисайд пользовался в своих расчетах еще одной функцией. Он назвал ее импульсной. Для его современников-ученых функция казалась по меньшей мере странной. Она равнялась нулю во всех точках, кроме одной, где ее значение взлетало в бесконечность, но таким образом, чтобы интеграл от нее был равен единице. Хевисайд подробно разобрал свойство такой функции, которую он использовал для изучения импульсных воздействий на электрические цепи. Его работа была забыта, и через тридцать лет импульсную функцию переоткрыл и ввел в обиход физики английский ученый Дирак. Теперь она носит название дельта-функции Дирака.
Хевисайд внес большой вклад в теорию передачи электрических сигналов по линиям связи. Уравнения Хевисайда принесли огромные барыши телеграфным компаниям, а сам их создатель жил в бедности. Хевисайд был горд. Он не принимал пожертвований.
В 1902 году (одновременно с американским электротехником Кеннели) Хевисайд указал на существование высоко над поверхностью Земли ионизированного слоя, который должен отражать короткие радиоволны. Специалисты не сразу поверили открытию. И только в 1924 году, за два месяца до смерти Хевисайда, было получено подтверждение существования слоя. Его раньше называли слоем Хевисайда. В современной, даже узко специализированной литературе этого названия почти не встретишь. Тем удивительнее было увидеть его в стихах…
Автор строк, датированных 1946 годом, поэт Сергей Орлов, фронтовик. Я недавно наткнулся на них, просматривая вышедший посмертно (в 1982 году) сборник его стихотворений. Забытое название — «слой Хивсайда» — привлекло мое внимание. Прочел стихотворение и восхитился: «Первый послевоенный год — и такая вера в будущее!» Спустя пятнадцать лет сквозь «слой Хивсайда» проложил трассу и отмерил первые космические версты Юрий Гагарин.
Кстати, Оливера Хевисайда Максвелл упоминает в своем знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме». Приведенные Максвеллом в главе «Измерения электрического сопротивления» результаты Хевисайда, пожалуй, самое малое, что сделал Хевисайд в области электромагнетизма.
Хевисайд купил «Трактат» Максвелла вскоре после его выхода. Можно сказать, что он определил всю его дальнейшую жизнь.
Чтобы осилить книгу, а она оказалась для него очень трудной, Хевисайду пришлось самостоятельно изучить высшую математику. На это ушло несколько лет. Но годы самоотверженной работы окупились сторицей. Ему, как и Герцу, удалось свести двенадцать уравнений, которые дал Максвелл в своем «Трактате», лишь к четырем (о них мы упоминали).
Многое из того, что сделал Хевисайд, входит в учебники по электричеству без всякого упоминания о его имени, хотя не только теоретические основы электротехники, но и ее язык, терминология в значительной мере созданы Хевисайдом. «Импеданс», «индуктивность», «проницаемость», «затухание», «отрицательное сопротивление», «линия без искажений»… Эти общеупотребительные сегодня термины введены Хевисайдом.
«…Он исследовал влияние земли, моря и верхней атмосферы на распространение радиоволн и объяснил, каким образом энергия распространяется между двумя удаленными точками, огибая кривизну земной поверхности…» — было написано в статье, посвященной памяти Хевисайда в журнале фирмы «Белл систем». Статья появилась не случайно. Американская фирма высоко оценила теоретические исследования Хевисайда для практики связи. А фирма была известна своей деловитостью.
Творчество Хевисайда многогранно и исследовано, видимо, еще не полностью. Об этом свидетельствует находка 1974 года. Она касается физического явления, названного свечением Черенкова — Вавилова. Суть явления в том, что заряженная частица при своем движении в какой-либо среде с постоянной скоростью, большей, чем скорость света, излучает в этой среде свет. Эффект обнаружил в 1934 году П. А. Черенков в серии опытов, предпринятых по инициативе академика С. И. Вавилова. Теория свечения была получена спустя три года в работах советских физиков И. Е. Тамма и И.М.Франка. Их выкладки были основаны опять же на уравнениях Максвелла. В 1958 году Тамму, Франку и Черепкову присудили Нобелевскую премию. Инициатора работы — Вавилова — в то время уже не было в живых. Он умер в 1951 году.
В середине 70-х годов из прошлого века вдруг «выплыла» на свет работа Хевисайда. В отечественном и зарубежном научных журналах в 1974 году была рассмотрена его теоретическая схема, в которой и возникает эффект Черенкова — Вавилова.
Предвидение Хевисайда намного опередило свое время и потому осталось без внимания. Открытие должно появляться вовремя, иначе о нем забудут. Небольшое упреждение необходимо, но именно небольшое, как в стрельбе по летящей цели. Конечно, вопрос о приоритете советских ученых не вызывает сомнения. Они экспериментально открыли и теоретически разобрались в загадочном свечении. Но нельзя не отдать должное и интуиции Хевисайда.
ОТ УРАВНЕНИИ МАКСВЕЛЛА К ВЕЛИКОМУ ОБЪЕДИНЕНИЮ
Хевисайд получил некоторые результаты, которые предвосхитили формулы из теории относительности. И это неудивительно, если учесть, что электродинамика Максвелла вошла полностью в специальную теорию относительности.
Можно даже сказать, что замечательные уравнения Максвелла и породили специальную теорию относительности.
Началось с того, что голландский ученый Гендрик Лоренц обнаружил интересное свойство уравнений Максвелла. Когда он определенным образом заменял в них переменные, то форма уравнений после подстановки не менялась. Выдающийся французский физик Анри Пуанкаре выражения для замены переменных так и назвал преобразованиями Лоренца. Кроме того, Пуанкаре впервые высказал мысль, что форма всех физических законов не должна меняться при замене переменных по формулам Лоренца. Эйнштейн, следуя этой мысли, изменил выражение для массы в механике Ньютона:
где m0 — масса неподвижного тела, v — скорость движения тела, c — всем известная скорость света.
Благодаря такой подстановке и наступила гармония между уравнениями Ньютона и Максвелла. Конечно, это несколько упрощенное изложение истории теории относительности. Ведь нужно было еще и глубокое осмысление таких понятий, как пространство и время, чтобы постичь истинный смысл преобразований Лоренца.
Уравнения Максвелла объединили электрические, магнитные и световые явления. Да, и световые! То, что свет имеет электромагнитную природу, показал еще Фарадей в 1846 году. Он продемонстрировал, что обычный магнит воздействует на луч света. Потом возникла мысль, а нельзя ли силы гравитации и электромагнетизма связать едиными уравнениями, то есть создать единую теорию поля. Данной проблемой занимались многие выдающиеся умы, в том числе в последние годы жизни и Эйнштейн и Хевисайд.
Бывший инженер-связист, а впоследствии писатель-фантаст А. Кларк в своей книге «Голос через океан» приводит некоторые подробности, касающиеся этого факта.
Результаты исследований по единой теории поля Хевисайд изложил в четвертом томе своего обширного труда «Теория электромагнетизма». Три первых объемистых тома были опубликованы. А вот след рукописи четвертого тома потерялся, и несмотря на усиленные поиски, ее обнаружить не удалось. Однако известно, что она существовала и что Хевисайд передал ее какому-то американскому издателю, отказавшемуся выдать ему аванс в сумме тысячи фунтов стерлингов.
«Здесь заключена мучительная загадка, — пишет Кларк, — одна из тех, которые никогда не будут разрешены… Безусловно, копия рукописи имелась у Хевисайда дома, но, когда его поместили в больницу, никто, видимо, не подумал об этой стороне дела. Сообщение о смерти Хевисайда было немедленно передано Би-би-си. На другой же день предприимчивый вор-взломщик проник в пустой дом. Ценностей он там, конечно, не нашел, но украл много книг и рукописей. И вполне возможно, что современные физики бьются над какой-либо проблемой, решение которой было украдено февральской ночью 1925 года».
Конечно, утерянная рукопись вряд ли содержала результаты, изменившие наши современные физические представления. Наука пошла другим путем. Силы гравитации и электромагнитные силы оказались не единственными в природе. Физикам стали известны еще два вида фундаментальных сил — слабое и сильное взаимодействия. Если гравитация и электромагнитные силы дальнодействующие, то сильное и слабое взаимодействия проявляются на микроскопических расстояниях, гораздо меньших, чем размеры атомного ядра. Казалось, задача создания единой теории поля еще более усложнилась. Ведь под крышей одних уравнений придется объединять уже не две, а четыре силы.
Но вот в последнее десятилетие незаметно для нас — нефизиков — в науке происходит бесшумная революция. Если сравнить дорогу исканий с длинным темным туннелем, то теперь в его конце забрезжил свет. Появилась надежда создать единую теорию всех четырех сил природы: гравитационных, электромагнитных, сильного и слабого взаимодействия — так называемое великое объединение (или теорию супергравитации). Ключом к решению проблемы стала квантовая теория поля, в которой в последнее десятилетие произошел большой прогресс.
Уже теоретически и экспериментально подтверждено единство электромагнитного и слабого взаимодействий, которое назвали электрослабым. Создана модель, как называют физики, большого объединения, воедино связывающего сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Есть наметки, как распространить объединение на гравитационные силы.
Поделиться книгой: