В «Динамической теории электромагнитного поля» (1864 г.) Максвелл пишет: «Мы рассмотрели электромагнитные явления, пытаясь их объяснить свойствами поля, окружающего наэлектризованные или намагниченные тела. Таким путем мы перешли к определенным уравнениям, выражающим определенные свойства электромагнитного поля. Мы исследуем теперь, являются ли свойства того, что составляет электромагнитное поле, которые выведены только из электромагнитных явлений, достаточными для объяснения распространения света через ту же самую субстанцию». Таким образом, Максвелл ставит задачу установления связи между электромагнетизмом и оптикой. Пользуясь своими уравнениями после ряда преобразований, Максвелл приходит к выводу, что в пустоте электромагнитное поле распространяется с той же скоростью, что и свет, что и «представляет собой подтверждение электромагнитной теории света». Из теории Максвелла вытекало также, что электромагнитные волны поперечны, а поперечность световых волн к тому времени уже была, как мы отмечали, доказана. Общность свойств электромагнитных волн и света, а именно подчинение законам отражения, преломления, способность интерферировать, поляризация также указывала на единую их природу. Одним из следствий электромагнитной теории Максвелла было существование давления света. Исследования выдающегося русского физика Петра Николаевича Лебедева (1866—1912) подтвердили существование этого эффекта. В естественном свете колебания напряженности электрического поля Ё и магнитной индукции В происходит по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны. Если свет поляризован, то колебания Ё и В происходят в двух ортогональных плоскостях. Поляризованная электромагнитная волна показана на рис. 2.17. За направление колебаний в световой волне принято направление колебаний вектора Ё, поскольку экспериментально установлено, что на сетчатку глаза действует электрическое поле, а не магнитное. Теория Максвелла строилась на предположении о существовании эфира. Максвелл полагал, что он создал механику эфира. Однако электромагнитные свойства не поддавались наглядной механической интерпретации и были противоречивыми. Накапливались научные факты, ставившие вопрос о сложении скоростей света и движущихся тел, на который невозможно было ответить, не определив, движется ли эфир, или он неподвижен. Неподвижностью эфира объяснялась открытая в 1728 г. Дж. Брэдли (1693— 1762) аберрация света. Явление аберрации света заключается в том, что координаты всех звезд при наблюдении с Земли в течение года смещаются и описывает эллипсы. Угол видимого смещения а определяется по формуле: tg a=(v/c)sin ф, 210 4. Оптика направление распространения полны Рис. 2.17. Поляризованная электромагнитная волна где v — скорость наблюдателя относительно светила, ср — угол между вектором скорости наблюдателя и направления на светило, с — скорость света. Корпускулярная теория объясняла аберрацию векторным сложением скоростей света со скоростью Земли по орбите. Однако блестящие опыты Араго показали, что движение Земли не оказывает влияния на преломление света. Это следовало из сравнения преломления в призме света, идущего от звезд, и света от неподвижного земного источника. Такой результат был несовместим с корпускулярной теорией света. Волновая теория давала простое объяснение, если принять гипотезу о неподвижном эфире. Но оказалось, что такая гипотеза не могла объяснить экспериментально доказанный факт, что аберрация света не меняется, если телескоп, с помощью которого осуществляется наблюдение, заполнить водой. Действительно, если скорость света в воде составляет три четвертых скорости света в воздухе, аберрация, наблюдаемая с помощью телескопа, заполненного водой, должна увеличиться в четыре третьих раза. Френель в рамках волновой теории объяснил этот факт гипотезой о частичном увеличении эфира движущимся телом. Эфир, по Френелю, находится в покое за исключением внутренних прозрачных сред, в которых он движется со скоростью, меньшей скорости движения среды в отношение («2-1)М где п — коэффициент преломления. Нисколько не сомневаясь в существовании эфира, к опытам по обнаружению относительного движения Земли и эфира приступили А. Майкельсон (1852—1931) и Э. Морли (1838—1923). Если эфир подвижен, а Земля движется относительно эфира, то должен существовать «эфирный ветер», подобно тому, как возникает ветер при движении тел относительно воздуха. Идея опыта заключается в сравнении времени прохождения света в двух направ- 211 Раздел II. Основные направления классической науки J эфирный ветер зрительная труба движение Земли Рис. 2.18. Схема интерферометра Майкельсона лениях: в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Схема прибора, позволяющего сравнить эти скорости, была разработана Майкельсоном. Прибор носит имя изобретателя — «интерферометр Майкельсона». Название прибора — «интерферометр» — указывает на использование принципа интерференции при измерении разности хода оптических лучей. Схема интерферометра Майкельсона показана на рис. 2.18. Луч света от источника S делится с помощью полупрозрачной пластины на два ортогональных по направлению луча ас и ab. Отрезки ab и ас (плечи интерферометра) равны. Лучи, отраженные от глухих зеркал, вновь соединяются полупрозрачной пластиной, и поскольку они порождены одним источником, эти лучи когерентны и интерферируют. Интерференционная картина наблюдается в зрительную трубу. Если ас совпадает с направлением движения Земли, то за счет этого движения в эфире возникает определенная разность хода интерферирующих лучей. Если теперь повернуть плечи интерферометра на 90°, то разность хода будет наблюдаться в противоположном направлении, так как ее будет вносить плечо ab, ориентированное вдоль движения Земли (по «эфирному ветру»). Тончайшие эксперименты показали, что смещение интерференционной картины обнаружить не удается. Это означало, что эфир движется с Землей (если он существует). Но явление аберрации света указывает на неподвижность эфира. Это противоречие явилось одной из причин появления теории относительности, согласующей электродинамику Максвелла с принципом относительности Галилея.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Электромагнитная теория света. Эфирный ветер» з дисципліни «Історія науки»
