Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Pole i teoria
względności

Obraz polowy
Dwa filary teorii pola
Rzeczywistość pola
Pole i eter
Rusztowanie mech.
Eter i ruch
Czas, odległość, . . .
Teoria względności
Continuum . . .
Ogólna teoria wzgl.
Wewnątrz i . . .
Geometria i . . .
Potwierdzenie teorii
Pole i materia
Streszczamy
Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Rzeczywistość pola
 
Rzeczywistość pola
 
I
lościowy, matematyczny opis praw pola zawarty jest w tak zwanych równaniach Maxwella. Wymienione dotąd fakty doprowadziły do sformułowania tych równań, ale ich treść jest znacznie bogatsza, niż to mogliśmy wykazać. Prosta ich postać kryje w sobie głębię, dostępną jedynie wnikliwym badaniom.
       Sformułowanie tych równań jest najważniejszym wydarzeniem w fizyce od czasów Newtona, nie tylko z uwagi na bogactwo ich treści, lecz również dlatego, że są one wzorem praw nowego typu.
       Cechy charakterystyczne równań Maxwella, które występują również we wszystkich innych równaniach współczesnej fizyki, można ująć w jednym zdaniu. Równania Maxwella są prawami opisującymi strukturę pola.
       Dlaczego równania Maxwella różnią się pod względem formy i charakteru od równań klasycznej mechaniki? Co to znaczy, że równania te opisują strukturę pola? Jak to jest możliwe, że z wyników doświadczeń Oersteda i Faradaya możemy zbudować nowy typ praw, który okazuje się tak doniosły w dalszym rozwoju fizyki?
       Widzieliśmy już w doświadczeniu Oersteda, jak pole magnetyczne oplata się wokół zmiennego pola elektrycznego. W doświadczeniu Faradaya widzieliśmy, jak pole elektryczne oplata się wokół zmiennego pola magnetycznego. Aby uwydatnić niektóre charakterystyczne cechy teorii Maxwella, skupmy na chwilę uwagę na jednym z tych doświadczeń, na przykład na doświadczeniu Faradaya. Raz jeszcze przytaczamy rysunek wskazujący, jak zmienne pole magnetyczne indukuje prąd elektryczny. Wiemy już, że prąd indukowany pojawia się wtedy, gdy zmienia się liczba linii sił przechodzących przez powierzchnię ograniczoną drutem.
A więc prąd pojawi się, jeśli się zmieni pole magnetyczne, albo jeśli obwód ulegnie odkształceniu lub przesunięciu, to znaczy jeśli zmieni się liczba przenikających powierzchnię linii magnetycznych – bez względu na przyczynę tej zmiany. Uwzględnienie wszystkich tych możliwości i omówienie wpływu każdej z nich musiałoby doprowadzić do bardzo skomplikowanej teorii. Czy nie można by jednak naszego problemu uprościć? Spróbujmy usunąć z rozważań wszystko, co się wiąże z kształtem obwodu, z jego długością, z powierzchnią obejmowaną przez drut. Wyobraźmy sobie, że obwód na naszym ostatnim rysunku zmniejsza się coraz bardziej, kurcząc się stopniowo do bardzo małego obwodu otaczającego pewien punkt przestrzeni. Wszystko, co się wiąże z kształtem i z wielkością, staje się wtedy nieistotne. W tym procesie przejścia do granicy, gdy linie zamknięte kurczą się do punktu, wielkość i kształt automatycznie znikają z rozważań i otrzymujemy prawa wiążące zmiany pola magnetycznego i elektrycznego w dowolnym punkcie przestrzeni, w dowolnej chwili.
       Jest to jeden z zasadniczych kroków wiodących do równań Maxwella. Jest to znowu doświadczenie wyidealizowane, polegające na wykonaniu w wyobraźni doświadczenia Faradaya z obwodem kurczącym się do punktu.
       Właściwie powinniśmy to nazwać nie krokiem, lecz pół-krokiem. Uwaga nasza skupiała się dotychczas na doświadczeniu Faradaya. Równie uważnie i w podobny sposób trzeba rozpatrzyć drugi filar teorii pola, oparty na doświadczeniu Oersteda. W doświadczeniu tym magnetyczne linie sił oplatają się wokół prądu. Drugie pół kroku polega na skurczeniu kołowych magnetycznych linii sił; cały krok daje wówczas związek między zmianami pola elektrycznego i magnetycznego w dowolnym punkcie przestrzeni i w dowolnej chwili.
       Ale konieczny jest jeszcze jeden ważny krok. Zgodnie z doświadczeniem Faradaya potrzebny jest drut, sprawdzający istnienie pola elektrycznego, podobnie jak biegun magnetyczny lub igła musi sprawdzać istnienie pola magnetycznego w doświadczeniu Oersteda. Nowa myśl teoretyczna Maxwella wychodzi jednak poza te fakty doświadczalne. Pole elektryczne i magnetyczne, lub krótko – pole elektromagnetyczne, jest w teorii Maxwella czymś rzeczywistym. Pole elektryczne wywoływane jest przez zmienne pole magnetyczne zupełnie niezależnie od tego, czy istnieje drut sprawdzający jego obecność, pole magnetyczne jest wywoływane przez zmienne pole elektryczne niezależnie od tego, czy istnieje biegun magnetyczny sprawdzający jego obecność.
       Do równań Maxwella prowadzą więc dwa istotne kroki. Pierwszy polega na tym, że rozważając doświadczenie Oersteda i Rowlanda, trzeba skurczyć do punktu kołowe linie pola magnetycznego oplatające się wokół prądu i zmiennego pola elektrycznego, zaś rozważając doświadczenie Faradaya, trzeba skurczyć do punktu kołowe linie pola elektrycznego oplatające się wokół zmiennego pola magnetycznego. Krok drugi polega na uznaniu pola za coś rzeczywistego; raz stworzone pole elektromagnetyczne istnieje, działa i zmienia się według praw Maxwella.
       Równania Maxwella opisują strukturę pola elektromagnetycznego. Scenerią tych praw jest cała przestrzeń, a nie – jak w przypadku praw mechaniki – tylko punkty, w których znajduje się materia lub ładunki.
       Pamiętamy, jak to było w mechanice. Znając położenie i prędkość cząstki w jednej określonej chwili oraz znając działające siły, można było przewidzieć całą jej przyszłą drogę. W teorii Maxwella, jeśli znamy pole w jednej tylko chwili, możemy z równań teorii wywnioskować, w jaki sposób całe pole będzie się zmieniało w przestrzeni i w czasie. Równania Maxwella pozwalają śledzić historię pola zupełnie tak samo, jak równania mechaniki pozwalały śledzić historię cząstek materialnych.
       Ale między prawami mechaniki a prawami Maxwella istnieje jedna istotna różnica. Pewne charakterystyczne właściwości związane z tymi równaniami uwydatnią się najlepiej przez porównanie praw ciążenia Newtona z prawami Maxwella.
       Za pomocą praw Newtona możemy wyznaczyć ruch Ziemi z siły działającej między nią a Słońcem. Prawa te wiążą ruch Ziemi z działaniem odległego Słońca. Zarówno Ziemia, jak Słońce, choć tak od siebie odległe, są aktorami w grze sił.
       W teorii Maxwella nie ma materialnych aktorów. Matematyczne równania tej teorii wyrażają prawa rządzące polem elektromagnetycznym. Nie wiążą one, jak w teorii Newtona, dwóch odległych zdarzeń; nie wiążą tego, co zaszło t u z warunkami, jakie panują t a m. Pole t u  i  t e r a z zależy od pola w b e z p o ś r e d n i m   s ą s i e d z t w i e   i   p r z e d   c h w i l ą. Jeśli wiemy, co się dzieje tu i teraz, to równania pozwalają nam przewidzieć, co się będzie działo trochę dalej w przestrzeni i trochę później w czasie. Pozwalają nam one zwiększać naszą wiedzę o polu małymi krokami. W teorii Newtona rzecz ma się przeciwnie – dozwolone są tylko duże kroki, łączące odległe zdarzenia. Wyniki doświadczeń Oersteda i Faradaya można otrzymać z teorii Maxwella, ale tylko przez sumowanie małych kroków, z których każdym rządzą równania Maxwella.
       Dokładniejsza matematyczna analiza równań Maxwella wykazuje, że można z nich wyciągnąć nowe i zupełnie nieoczekiwane wnioski, a całą teorię poddać próbie na znacznie wyższym poziomie, gdyż wnioski teoretyczne mają teraz charakter ilościowy i wynikają z całego łańcucha logicznych rozumowań.
       Znów wyobraźmy sobie wyidealizowane doświadczenie. Małą kulkę z ładunkiem elektrycznym zmuszamy jakimś działaniem zewnętrznym do wykonywania szybkich, rytmicznych drgań, na podobieństwo wahadła. W jaki sposób moglibyśmy, korzystając ze zdobytej już wiedzy o zmianach pola, opisać w języku pola wszystko, co się tu dzieje?
       Drganie ładunku wytwarza zmienne pole elektryczne. Takiemu polu zawsze towarzyszy zmienne pole magnetyczne. Jeśli w pobliżu umieścić drut tworzący obwód zamknięty, to zmiennemu polu magnetycznemu będzie z kolei towarzyszył prąd elektryczny w obwodzie. Wszystko to są znane fakty, ale analiza równań Maxwella pozwala uzyskać znacznie głębszy wgląd w zagadnienie drgającego ładunku elektrycznego. Posługując się opartymi na równaniach Maxwella wywodami matematycznymi, możemy wyznaczyć charakter pola otaczającego drgający ładunek, jego strukturę blisko i daleko od źródła oraz sposób, w jaki się ono zmienia w czasie. Wynik tych wywodów – to fala elektromagnetyczna. Drgający ładunek promieniuje energię, która biegnie w przestrzeni z określoną szybkością; a przecież przenoszenie się energii, ruch stanu, jest właśnie cechą charakterystyczną wszystkich zjawisk falowych.
       Rozważaliśmy już różne rodzaje fal. Mieliśmy falę podłużną, wywołaną przez pulsującą kulę, kiedy to w ośrodku rozchodziły się zmiany gęstości. Mieliśmy galaretowaty ośrodek, w którym rozchodziła się fala poprzeczna. W ośrodku rozchodziło się odkształcenie galarety, spowodowane obrotem kuli. Jakiego rodzaju zmiany rozchodzą się teraz, w przypadku fali elektromagnetycznej? Po prostu – zmiany pola elektromagnetycznego! Każda zmiana pola elektrycznego wytwarza pole magnetyczne; każda zmiana tego pola magnetycznego wytwarza pole elektryczne; każda zmiana tego..., i tak dalej. Ponieważ pole reprezentuje energię, wszystkie te zmiany, rozchodząc się w przestrzeni z określoną prędkością, wytwarzają falę. Z teorii wynika, że elektryczne i magnetyczne linie sił leżą zawsze w płaszczyznach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Wytworzona fala jest więc falą poprzeczną. Pierwotne cechy obrazu pola, który wytworzyliśmy sobie na podstawie doświadczeń Oersteda i Faradaya, pozostają nie zmienione, ale teraz widzimy, że obraz ten ma głębsze znaczenie.
       Fala elektromagnetyczna rozchodzi się w próżni. Jest to znów wniosek z teorii. Jeśli drgający ładunek przestanie się nagle poruszać, jego pole stanie się polem elektrostatycznym. Ale wytworzony przez drgania ciąg fal rozchodzi się nadal. Fale mają swój niezależny byt i dzieje ich zmian można śledzić równie dobrze, jak dzieje każdego obiektu materialnego.
       Rozumiemy, że nasz obraz fali elektromagnetycznej, rozchodzącej się z określoną prędkością w przestrzeni i zmiennej w czasie, wynika z równań Maxwella tylko dzięki temu, że opisują one strukturę pola elektromagnetycznego w dowolnym punkcie przestrzeni i w dowolnej chwili.
       Pozostaje jeszcze jedno bardzo ważne pytanie. Z jaką prędkością rozchodzi się fala elektromagnetyczna w próżni? Teoria, w oparciu o pewne dane z prostych doświadczeń nie mających nic wspólnego z właściwym rozchodzeniem się fal, daje jasną odpowiedź: prędkość fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła.
       Podstawą, na której zbudowane zostały prace Maxwella, były doświadczenia Oersteda i Faradaya. Wszystkie nasze dotychczasowe wyniki pochodzą z uważnej analizy tych praw, wyrażonych w języku pola. Odkrycie na drodze teoretycznej fali elektromagnetycznej, rozchodzącej się z prędkością światła, jest jednym z największych osiągnięć w historii nauki.
       Doświadczenie potwierdziło przepowiednię teorii. Pięćdziesiąt lat temu Hertz po raz pierwszy wykazał istnienie fal elektromagnetycznych oraz doświadczalnie potwierdził, że prędkość ich jest równa prędkości światła. Dzisiaj miliony ludzi dają świadectwo temu, że fale elektromagnetyczne można wysyłać i odbierać. Urządzenia, którymi się posługują, są znacznie bardziej skomplikowane od tych, którymi dysponował Hertz, i wykrywają obecność fal elektromagnetycznych w odległości nie kilku metrów, lecz tysięcy kilometrów od ich źródła.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach