Закон Кулона, согласно которому сила взаимодействия двух зарядов прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, был в полной мере основан на аналогии между гравитационными массами и электрическими флюидами («жидкостями»). Ученый представлял себе, что электрическая жидкость наполняет заряженное тело наподобие того, как вода наполняет губку.
Поля и заряды
Таким образом, раньше взаимодействие зарядов рассматривалось как дальнодействие в пустом пространстве. Сегодня мы уже знаем, что электрический заряд не является особым веществом. Поэтому выражение «электрический заряд» следует понимать так же, как выражение «восход солнца» или «заход солнца» после открытия Коперника. Заряд нельзя «соскрести» с электрона. Величину электрического заряда атомных частиц сегодня мы определяем именно через закон Кулона.
Сегодня взаимодействие рассматривается скорее как близкодействие, чем дальнодействие. Услышав слово «заряд», мы представляем себе окружающее его электрическое или силовое поле, которое согласно классической электродинамике задано в каждой точке вектором напряженности Е с определенной величиной и определенным направлением. Изолированный заряд е_1 порождает поле Е величиной е_1/r^2, направленное по радиусу, причем это поле направлено от заряда или к заряду в зависимости от того, положителен он или отрицателен.
Если какой-то другой заряд е_2 «окунуть» в окружающее е_1 поле, то он будет «чувствовать» (в форме действующей на него силы F=е_2 E), каково в точке его местонахождения электрическое поле, образованное зарядом е_1. Разумеется, заряд е_2 сам изменяет существовавшее ранее поле: поля, образованные двумя зарядами, складываются векторно. На силе взаимодействия это не сказывается, поскольку собственное поле не воздействует на заряд.
Реальность поля или природа света
Первым физиком, «увидевшим» нечто между зарядами, был далекий от повседневных забот своих современников Фарадей. Его идеи были воплощены в строгие математические формы Максвеллом.
Но почему мы можем быть уверены в том, что поле следует рассматривать как самостоятельную реальность, если само поле можно наблюдать лишь при помощи другого пробного заряда? Почему нельзя говорить о простом дальнодействии между двумя зарядами?
Ответ на этот вопрос является одним из самых замечательных триумфов научного мышления.
Откуда мы знаем, что у Деда Мороза есть борода? Потому, что если он трясет бородой, то идет снег.
Закон Кулона относится к покоящимся зарядам. Электрическое поле таких зарядов становится пренебрежимо малым на больших расстояниях.
Колеблющиеся же электрические заряды излучают независимые электромагнитные волны, которые могут достичь сколь угодно удаленной от источника точки пространства (вокруг колеблющегося заряда образуются периодически изменяющиеся в пространстве и во времени электрическое и магнитное поля, которые не зависят от порождающего их заряда и распространяются в пространстве). Это самостоятельное существование электромагнитного поля, «приросшего» к покоящемуся заряду, было предсказано Максвеллом. Эксперимент блестяще подтвердил его предсказание.
Так не только подтвердились догадки о том, что электрические и магнитные явления взаимосвязанные, но была также установлена электромагнитная природа света (1865 г.).
О тех, кто не любит атомы
Сегодня мы говорим о непрерывном силовом поле классической электродинамики, как о полной противоположности атомистической материи. Вначале такой пропасти не было, поскольку само понятие непрерывности силового поля было далеко не однозначным. Механистический эфир представляли в виде совокупности материальных точек. Фарадею силовые линии (указывающие направление силового поля) казались реальными и связанными каким-то образом с деформациями эфира.
«Не люблю выражения «атом»!» — воскликнул Фарадей, безуспешно пытаясь понять структуру эфира. Максвелл также пытался опираться на механистические представления об эфире. Лишь в годы, предшествовавшие концу столетия, были заброшены бесплодные попытки построить модель эфира и физики стали рассматривать непрерывное силовое поле как самостоятельное фундаментальное понятие.
Носители энергии
Итак, с трудностями эфирной гипотезы мы уже познакомились. Однако концепция непрерывного силового поля сделала, пожалуй, ситуацию еще более туманной.
Для функционирования антенны необходима электростанция, вырабатывающая электрический ток и, следовательно, производящая работу, которая идет на образование электромагнитного поля, излучаемого антенной. Следовательно, излучаемые волны обладают энергией, которая может превратиться опять в работу или теплоту при поглощении волны. Помимо этого излученная в данном направлении волна отталкивает антенну в противоположном направлении, а также отталкивает ту поверхность, на которой она поглощается или от которой отражается. Электромагнитная волна, таким образом, помимо энергии обладает также направленным по движению импульсом, подобно брошенному камню.
Если электромагнитные волны представляют собой колебания какой-либо среды, то не удивительно, что они являются носителями энергии и импульса. Это имеет место и для звуковых волн. Если же эфир не существует, то отсюда с необходимостью следует, что электромагнитное поле представляет собой самостоятельный вид материи. В этом случае излучаемое колеблющимся зарядом поле представляет чрезвычайный интерес с двух точек зрения. Во-первых, отсюда следует, что, выполняя работу, можно создать материю. Во-вторых, поскольку электрически заряженные атомные частицы с необходимостью окружены электрическим полем, то сами эти частицы, по крайней мере, частично, состоят из нового вида материи. Оба утверждения звучат фантастически. Можно понять, почему Майкельсон, опыты которого опровергли гипотезу эфира, до конца своих дней верил в эфир.
Мера измерения материи
Эйнштейн привел закон сохранения материи в соответствие с новыми физическими представлениями, указав на то, что нельзя говорить о затраченной работе или количестве энергии независимо от количества вещества. Оказывается, мерой измерения количества материи в любых ее формах могут быть две взаимосвязанные величины: инерциальная масса и энергия. Когда антенна излучает, то питающая ее электростанция становится легче (на ничтожную величину), потому что ее энергия и, следовательно, масса уменьшаются.
Подобно стрелкам на циферблате огромных часов, вращаются изложенные выше мысли вокруг одной-единственной оси, вокруг одной-единственной центральной проблемы, которой можно дать объединяющее название «Материя и взаимодействие».
Что, в конце концов, скрывается за поверхностью вещей? Этот вопрос был пружиной всех исследований вплоть до XX столетия начиная с того момента, когда греки одарили человечество своим великим деянием – осознанием поисков истины, пришедшим на смену существовавшим с первобытных времен инстинктивным мифообразующим формам.
Наука решает философский вопрос
Этот вопрос объединяет в единое неделимое целое науку от древних греков до XX столетия, характеризуемую непреодолимым конфликтом между последовательным мышлением и наивными инстинктами, живущими в нас картинами.
Если теперь мы начинаем наше изложение цитированием греческой натурфилософии, то, в конце концов, приходим к тому, что она является не началом, а концом обострения этого конфликта.
С точки зрения веры в безграничную правильность инстинктивных наглядных воззрений наивность эллинов отнюдь не превосходит наивность новейших времен, она просто более свежа, будучи более безудержной, и именно поэтому наиболее ярко освещает суть конфликта.
