Характеристика парникового эффекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ошибка Максвелла

Хронология.

· 1855 г. Английский физик Джеймс Максвелл дал первую математически обоснованную формулировку теории электромагнетизма без учета токов смещения.

· 1861--1862 г. Джеймс Максвелл опубликовал несколько статей «О физических силовых линиях» (впервые ввел ток смещения).

· 1873 г. Вышел капитальный двухтомный труд Максвелла «Трактат об электричестве и магнетизме».

Очень трудно проникнуть в мысли исследователя, написавшего первый в физике «Трактат об электричестве и магнетизме» около 150 лет назад. Перед Максвеллом стояла нелегкая задача: по словесным описаниями экспериментов и рисункам Фарадея найти математическую формулировку открытых им физических закономерностей. Здесь много «неизвестных» и, соответственно, трудностей.

Обратимся к закону индукции Фарадея. Фарадей обнаружил, что если мы выдвигаем или выдвигаем постоянный магнит из катушки или в катушку, на концах обмотки катушки образуется напряжение (между концами создается электрическое поле Еф).

Это поле отличается от поля, создаваемого статическими зарядами Ек (закон Кулона). Фарадеевское индукционное поле возникает при движении зарядов и его нельзя представить как результат суммы полей каких-то покоящихся зарядов. Покоится заряд, вокруг него существует кулоновское поле Ек. Если движется заряд мимо наблюдателя, то помимо кулоновского поля Ек возникает индукционное фарадеевское поле Еф.

В первой формулировке уравнений электродинамики (1855 г.) у Максвелла отсутствует ток смещения. Это не первая, но принципиальная трудность в его работе. Пусть, например, мы имеем замкнутую электрическую цепь. При разрыве цепи постоянного тока и включении в её разрыв конденсатора ток в разомкнутом контуре отсутствует. Но если мы будем питать эту цепь с конденсатором от источника переменного напряжения, то в цепи будет протекать переменный ток. Для описания «прохождения» переменного тока через конденсатор (разрыв по постоянному току!) Максвелл ввёл понятие тока смещения.

Обратите внимание на хронологическую таблицу. Ток смещения был введен спустя 6 лет после первого варианта математической формулировки уравнений электродинамики. Максвелл долго обдумывал формулировку законов. Он искал модели для объяснения эффектов. Можно предположить, что он «тяготел» к привычной для него механике Ньютона, а при введении тока смещения получались волновые уравнения, противоречащие мгновенному действию на расстоянии. Именно здесь при введении тока смещения возникла ошибка, породившая последующий кризис в физике.

Рассмотрим этот вопрос подробно. Много, много позже И. Тамм введет понятия «сторонних токов», «сторонних ЭДС, полей, сторонних сил» и т.д. Что означает? Чем отличаются «сторонние» электрические поля (например, фарадеевское индукционное поле Еф) от обычных «кулоновских» полей Ек? Они отличаются тем, что «сторонние» поля мы не можем, как уже говорилось выше, представить в виде полей статических электрических зарядов. волновой квазистатический поле индукция

Соответственно и «токи смещения», образованные полями Еф и Еф,, будут иметь разные свойства и разные источники. Приведем аналогию. Пусть по крутому склону зигзагами с горы спускается горнолыжник. На него действует сила тяжести (вес) и сила инерции. Вместе они образуют «центростремительную силу», которая «искривляет» траекторию движения.

Если мы будем считать, что инерция и тяготение имеют независимую природу, то придем к механике Ньютона с линейным (евклидовым) пространством. Но если мы выдвинем гипотезу об эквивалентности инерции и тяготения, по наш путь к ОТО с криволинейным пространством. Вот как влияет кажущаяся «мелочь» на объяснения физических явлений.

Но вернемся к полям и токам смещения. Максвелл, видимо, не увидел принципиального различия между кулоновскими электрическими полями и фарадеевскими индукционными полями. Понимание различия возникло уже в наше время. Мы сегодня знаем о различии, поэтому и ставим вопрос: нужно ли было включать в ток смещения фарадеевское индукционное поле? Какой из написанных ниже вариантов верный:

Здесь та же самая «мелочь», которая в дальнейшем оказала физикам плохую услугу. Рассмотрим оба варианта.

Первый вариант. Это правильный путь. Действительно, ток смещения в конденсаторе обусловлен изменением количества зарядов на пластинах, а не изменением магнитного поля, возникающего при протекании тока. Это прямой путь к самостоятельному (независимому) описанию квазистатических явлений безо всяких противоречий. Он опирается на мгновенное действие на расстоянии и позволяет успешно и непротиворечиво описать квазистатические явления электромагнетизма в рамках ньютоновской механики.

Второй вариант. Он является ошибочным. Причина следующая. Эксперименты и установленные ранее законы Кулона, Эрстеда, Ампера, Фарадея и других исследователей проводились либо с постоянными, либо с медленно меняющимися токами и напряжениями. Эти эксперименты не были способны обнаружить какое-либо «запаздывание» чисто технически.

Максвелл, случайно выбрав второй вариант, совершил ошибку. Но это была гениальная ошибка. Она, с одной стороны, позволила позже технике сделать колоссальный рывок в области радиотехники, радиолокации, телевидения и т.д. Если бы не ошибка Максвелла, то неизвестно: когда были бы открыты электромагнитные волны (сколько десятилетий спустя)?

С другой стороны, она спровоцировала кризис в физике, «угробив» классические теории с их мгновенным действием на расстоянии. Мгновенное действие на расстоянии принципиально неустранимо из физики. В других очерках мы покажем, как этот предрассудок помешал правильному объяснению ряда физических явлений, породив кризис в физике.

Сейчас, сравнивая свойства полей зарядов и полей электромагнитных волн, приведенные в Таблице 1, мы легко видим их различие и «несовместимость». Эти типы полей должны описываться независимыми системами уравнений.

Оппоненты могут возразить, что формально описание квазистатических явлений (мгновенное действие на расстоянии) легко следует из волновых уравнений, например, уравнений в калибровке Лоренца. Для этого достаточно устремить скорость света с к бесконечности. Но это заблуждение дилетанта, знания которого опираются на предрассудки. Квадрат скорости света равен с2 = 1/ем . Чтобы получить бесконечную скорость света, мы должны приравнять нулю либо е, либо м. Очевидно, что в первом случае мы теряем закон Кулона, а во втором - закон индукции Фарадея. Как мы видим, не все так просто. Квазистатические явления не могут описываться волновыми уравнениями или быть их следствиями.

Таблица 1.1 Сравнение свойств волновых и квазистатических полей

Итоги. Теперь можно подвести некоторые итоги, которые позволят нам проследить развитие кризиса в физике.

1. Максвелл, «переводя» эксперименты Фарадея на математический язык, невольно допустил ошибку. Введя в ток смещения электрическое поле индукции Фарадея, он случайно «открыл» возможность существования электромагнитных волн. Тем самым, он стимулировал исследования в этом важном для теории и практики направлении.

2. Из-за этой ошибки из записанных им уравнений выпало описание явлений квазистатики.

3. Уравнения Максвелла породили у физиков устойчивый предрассудок: электромагнитные поля и поля зарядов это одно и то же.

Теперь мы знаем одну из причин кризиса физики и будем рассматривать следствия ошибки Максвелла в последующих Очерках.

Размещено на Allbest.ru