Электромагнитная природа света

Уже почти  полтора века назад человечеству стало ясно, что свет — электромагнитная волна. Первым об этом догадался Максвелл: когда он получил волнообразное решение своих знаменитых уравнений и вычислил скорость этих волн, получилось значение, очень близкое к измеренной на тот момент скорости света. Шотландец немедленно предположил, что свет и есть электромагнитная волна, а частота ее колебаний определяет свойства, в первую очередь цвет света (к тому моменту были известны лишь два вида световых лучей – видимые и инфракрасные).

В любом учебнике физики написано, что электромагнитная волна, будь то радиоволны, свет или  жесткое рентгеновское излучение, представляет собой пару электрического и магнитного полей, которые непрерывно превращаются друг в друга и тем  самым поддерживают распространение волны. Электрический и магнитный векторы направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны и непрерывно осциллируют, поддерживая друг друга.

Может показаться невероятным, но на деле такое представление о свете экспериментальной проверке до сих пор не подвергалось. Конечно, в конце XIX века, вскоре после смерти Максвелла, немец Генрих Герц смог получить подобную волну гораздо меньшей частоты (выражаясь современным языком, это были радиоволны УКВ-диапазона) и тем самым доказал существование предсказанных Максвеллом волн.

Тем не менее, что касается непосредственно  света, то наличие в этих волнах магнитной  составляющей до сих пор экспериментально не было показано. Тому есть простая  причина: электрическая составляющая волны хоть и несет такую же энергию, как магнитная, гораздо охотнее передает ее заряженным частицам. А именно на воздействии на заряженные частицы в конечном счете основаны все детекторы света – хоть ультрамодная ПЗС-матрица, хоть человеческий глаз.

Чтобы «почувствовать» магнитную составляющую световой волны, частица должна двигаться, и чем быстрее она движется, тем лучше. Лишь при скорости, близкой  к скорости света, влияние электрической  и магнитной составляющих сравнивается. Однако даже легчайшие электроны движутся вокруг атомных ядер со скоростью существенно меньшей, чем скорость света, а потому в большинстве случаев электрическая сила безоговорочно доминирует. Ваша свадебная фотография, видеозапись первых шагов вашего ребенка и комфортное чтение вот этих самых букв – все это проявления работы именно электрической, а не магнитной силы.

В 2009 году, через 130 лет после кончины Максвелла, его предположения о природе света наконец подтверждены окончательно. К публикации в американском журнале Science принята статья группы голландских физиков под руководством Маттео Буррези из Института атомной и молекулярной физики в Амстердаме, которым наконец удалось зафиксировать и измерить магнитную составляющую световой волны.

Оборудование  и методика, которыми пользовались голландцы, удивительным образом похожи на те, с чьей помощью Герц создал первые рукотворные электромагнитные волны. Чтобы доказать волновую природу генерируемых электрическим разрядом сигналов, он создал так называемую стоячую волну, «заперев» ее между двух цинковых зеркал. А детектировал электромагнитное поле Герц с помощью металлического кольца с прорезью, в котором волна разгоняла ток; если он был достаточно сильным, в прорези проскакивала искра, которую и наблюдал немецкий физик.

Разумеется, в том, что свет — электромагнитная волна, никто из физиков и так не сомневался. Однако детектированием магнитного поля световой волны ученые продемонстрировали способность измерять ничтожные поля, осциллирующие с гигантскими частотами, характерными для оптического диапазона.

Такой контроль свойств электромагнитного  поля просто необходим, если мы всерьез  настроены создавать «шапки-невидимки», сверхразрешающие линзы и прочие чудеса, которые нам обещает создание метаматериалов, работающих в оптическом диапазоне. Пока же обещания теории метаматериалов, в том числе и знаменитую шапку-невидимку, которая полностью скрыла цилиндрический объект, заставив электромагнитные волны обтекать его, удалось воплотить в жизнь лишь в радиодиапазоне и микроволнах.

Для перехода в оптический диапазон принципиальных ограничений нет, однако до сих пор ученые не могли контролировать электрические и магнитные свойства с точностью, необходимой для оптических метаматериалов. Создание таких материалов – это нанотехнологии высшего разряда. И оборудование, и методика, созданные Буррези и его коллегами – ровно то, что нужно для таких измерений.

Свет обладает как волновыми  свойствами, так и корпускулярными  свойствами. Такое свойство света называет корпускулярно-волновой дуализм. Но ученые и физики древности не знали об этом, и изначально считали свет упругой волной.

Свет - волны  в эфире

Но так как  для распространения упругих  волн нужна среда, то возникал правомерный вопрос, в какой же среде распространяется свет? Какая среда находится на пути от Солнца к Земле? Сторонники волновой теории света предположили что всё пространство во вселенной заполнено некоторой невидимой упругой средой. Они даже придумали ей название – светоносный эфир.

В то время, ученые еще не знали о существовании  каких либо волн, кроме механических. Такие взгляды на природу света высказывались примерно в 17 веке. Считалось, что свет распространяется именно в этом светоносном эфире.

Свет - поперечная волна

Но такое предположение  вызывало ряд противоречивых вопросов. К концу 18 века было доказано, что  свет является поперечной волной. А  упругие поперечные волны могут  возникать только в твердых телах, следовательно, светоносный эфир является твердым телом. 

Это вызывало сильную  головную боль у ученых того времени. Как небесные тела могут двигаться  сквозь твердый светоносный эфир, и при этом не испытывать никакого сопротивления.

Свет - электромагнитная волна

Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме. И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. Потом это предположение подтвердилось.

Но актуально  также было представление о том, что в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц. Теория Максвелла противоречила некоторым экспериментальным фактам. Но, в 1990 году, физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами.

А в 1905 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, о том, что электромагнитные волны с некоторой частотой можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=р*ν. В настоящее время квант электромагнитного излучения называют фотоном. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

То есть при излучении  и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства, а при перемещении в  пространстве волновые.

В свое время Ньютон был убежден в  том, что свет состоит из мельчайших частичек, скорость перемещения которых практически бесконечна, - говорит Т. Редже в предыстории вопроса. - Его современник Гюйгенс, напротив, был сторонником волнового механизма распространения света, подобного процессу распространения звука в воздухе или в любой материальной среде. Непререкаемый авторитет Ньютона не допустил признания гипотезы Гюйгенса.

 
 
В 1700 году Юнг, Френель и некоторые  другие ученые приступили к исследованию оптических явлений, непонятных с точки  зрения представлений Ньютона. Эти  явления прямо указывали на волновую природу света. Как ни парадоксально, но среди этих явлений были и кольца Ньютона, хорошо известные фотографам и возникающие, когда диапозитив помещается между стеклянными пластинами. Яркая окраска некоторых насекомых также возникает в результате сложных процессов интерференции световых волн, происходящих в тонких слоях жидких кристаллов, расположенных на поверхности тела насекомых». 
 
Однако, несмотря на очевидные успехи волновой механической теории света во второй половине XIX века, она была подвергнута сомнению по двум причинам. Одна - опыты Фарадея, открывшего действие магнитного поля на свет. Другая - исследования связи между электрическими и магнитными явлениями, которые проводил Максвелл. 
 
«Открытие электромагнитной природы света является великолепной иллюстрацией диалектики развития содержания и формы, - пишет П.С. Кудрявцев. - Новое содержание - электромагнитные волны - было выражено в старой форме картезианских вихрей. 
 
Несоответствие нового содержания, появившегося в результате развития электромагнетизма, не только старой форме теории дальнодействия, но и механической теории эфира ощущал уже Фарадей, искавший для выражения этого содержания новую форму. Такую форму он усматривал в силовых линиях, которые следовало рассматривать не статически, а динамически. Развитию этой мысли посвящены его работы «Мысли о лучевых вибрациях» (1846) и «О физических линиях магнитной силы» (1851). 
 
Открытие Фарадеем в 1845 году связи между магнетизмом и светом явилось новым содержанием в учении о свете и вместе с тем еще раз указывало на строгую поперечность световых колебаний. Все это плохо укладывалось в старую форму механического эфира». Фарадей выдвигает идею силовых линий, в которых происходят поперечные колебания. «Нельзя ли, - пишет он, - предположить, что колебания, которые в известной теории (волновой теории света - авт.) принимаются за основу излучения и связанных с ним явлений, происходят в линиях сил, соединяющих частицы, а следовательно, массы материи в одно целое. Эта идея, если ее допустить, освободит нас от эфира, являющегося с другой точки зрения той средой, в которой происходят эти колебания». 
 
Ученый указывает, что колебания, происходящие в линиях сил, представляют собой не механический процесс, а новую форму движения, «некий высший тип колебания». Подобные колебания поперечны и потому могут «объяснить чудесные разнообразные явления поляризации». Они не похожи на продольные звуковые волны в жидкостях и газах. Его теория, как он говорит, «пытается устранить эфир, но не колебания». Эти магнитные колебания распространяются с конечной скоростью: 
 
«...Появление изменения в одном конце силы заставляет предполагать последующее изменение на другом. Распространение света, а потому, вероятно, всех лучистых действий, требует времени, и чтобы колебание линий силы могло объяснить явления излучения, необходимо, чтобы такое колебание также занимало время». 
 
Поиски новой формы привели ученого к становлению важной идеи поперечных магнитных колебаний, распространяющихся, как и свет, с конечной скоростью. Но это и есть центральная идея электромагнитной теории света - мысль, возникшая еще в 1832 году. 
 
Максвелл отмечал в записке к В. Бреггу: «Электромагнитная теория света, предложенная им (Фарадеем) в «Мыслях о лучевых вибрациях» (май, 1846) или «Экспериментальных исследованиях», - это по существу то же, что я начал развивать в этой статье («Динамическая теория поля» (май, 1865), за исключением того, что в 1846 году не было данных для вычисления скорости распространения». 
 
Подобное признание, однако, не принижает заслуг в исследовании электромагнитного поля Джеймса Максвелла. 
 
Джеймс Максвелл (1831-1879) родился в Эдинбурге. Вскоре после рождения мальчика родители увезли его в свое имение Гленлэр. Сначала приглашали учителей на дом. Потом решено было отдать Джеймса в новую школу, носившую громкое название Эдинбургской академии. 
 
Максвелл окончил академию одним из первых, и перед ним распахнулись двери Эдинбургского университета. 
 
Будучи студентом, Максвелл выполнил серьезное исследование по теории упругости, получившее высокую оценку специалистов. И теперь перед ним встал вопрос о перспективе его дальнейшей учебы в Кембридже. Объем знаний Максвелла, мощь его интеллекта и самостоятельность мышления позволили ему добиться высокого места в своем выпуске. Он и занял второе место. 
 
Молодой бакалавр был оставлен в Кембридже - Тринити-колледже в качестве преподавателя. Однако его волновали научные проблемы. Помимо его старого увлечения - геометрии и проблемы цветов, которой он начал заниматься еще в 1852 году, Максвелл заинтересовался электричеством. 
 
20 февраля 1854 года Максвелл сообщает Томсону о своем намерении «атаковать электричество». Результат «атаки» - сочинение «О Фарадеевых силовых линиях» - первое из трех основных трудов Максвелла, посвященных изучению электромагнитного поля. Слово «поле» впервые появилось в том самом письме Томсону, но ни в этом, ни в последующем сочинении, посвященном силовым линиям, Максвелл его не употребляет. Это понятие снова появится только в 1864 году в работе «Динамическая теория электромагнитного поля». 
 
Он публикует две основные работы по созданной им теории электромагнитного поля: «О физических силовых линиях» (1861-1862 годы) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864-1865 годы). За десять лет Максвелл вырос в крупнейшего ученого, творца фундаментальной теории электромагнитных явлений, ставшей, наряду с механикой, термодинамикой и статистической физикой, одним из устоев классической теоретической физики. 
 
«Трактат по электричеству и магнетизму» - главный труд Максвелла и вершина его научного творчества. В нем он подвел итоги многолетней работы по электромагнетизму, начавшейся еще в начале 1854 года. Предисловие к «Трактату» датировано 1 февраля 1873 года. Девятнадцать лет работал Максвелл над своим основополагающим трудом! 
 
Исследования, произведенные Максвеллом, привели его к выводу, что в природе должны существовать электромагнитные волны, скорость распространения которых в безвоздушном пространстве равна скорости света - 300 000 километров в секунду. 
 
Возникнув, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света, занимая все больший и больший объем. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет. 
 
«Предположение Максвелла о том, что изменения электрического поля влекут за собой возникновение потока магнитной индукции, явилось следующим шагом вперед, - пишет А.А. Коробко-Стефанов. - Таким образом, возникшее переменное электрическое поле вокруг магнитного, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, охватывающее электрическое, которое вновь возбуждает электрическое, и т. д. 
 
Быстропеременные электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света, образуют электромагнитное поле. Электромагнитное поле распространяется в пространстве от точки к точке, создавая электромагнитные волны. Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется напряженностью электрического и магнитного полей. Напряженность электрического и магнитного полей - величины векторные, так как характеризуются не только величиной, но и направлением. Векторы напряженности полей взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к направлению распространения». Поэтому электромагнитная волна является поперечной. 
 
Из теории Максвелла вытекало, что электромагнитные волны возникают в том случае, если изменения напряженности электрического и магнитного полей будут происходить очень быстро. 
 
Справедливость максвелловских представлений опытным путем доказал Генрих Герц. В восьмидесятые годы девятнадцатого века Герц приступил к изучению электромагнитных явлений, работая в аудитории длиной 14 метров и шириной 12 метров. Он обнаружил, что если расстояние приемника от вибратора менее одного метра, то характер распределения электрической силы аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на расстояниях, превышающих 3 метра, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различных направлениях. В направлении оси вибратора действие убывает значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии 4 метров, тогда как в перпендикулярном направлении оно достигает расстояний, больших 12 метров. 
 
Этот результат противоречит всем законам теории дальнодействия. Герц продолжал исследование в волновой зоне своего вибратора, поле которого он позже рассчитал теоретически. В ряде последующих работ Герц неопровержимо доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. «Результаты опытов, поставленных мною над быстрыми электрическими колебаниями, - писал Герц в своей восьмой статье 1888 года, - показали мне, что теория Максвелла обладает преимуществом перед всеми другими теориями электродинамики». 
 
Поле в этой волновой зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых линий. Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества. Расчеты Герца легли в основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и молекул. 
 
Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям, дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света. 
 
В 1889 году Герц прочитал доклад «О соотношении между светом и электричеством» на 62-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей. 
 
Здесь он подводит итоги своих опытов в следующих словах: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла... Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение». 
 
В 1890 году Герц опубликовал две статьи: «Об основных уравнениях электродинамики в покоящихся телах» и «Об основных уравнениях электродинамики для движущихся тел». Эти статьи содержали исследования о распространении «лучей электрической силы» и, в сущности, давали то каноническое изложение максвелловской теории электрического поля, которое вошло с тех пор в учебники.