История развития теории поля

Ток смещения -- это то принципиально новое, что, прежде всего, отличало теорию Максвелла от других теорий. Герц правильно заметил, что эффект магнитного действия тока смещения может быть существенным лишь при высоких частотах колебаний в контуре, которые еще не умели возбуждать в то время. Поэтому Герц отказывается выполнить это исследование и лишь спустя несколько лет возвращается к задаче Гельмгольца. "Делом моего честолюбия, -- писал Герц позднее, -- оставалось все же найти решение заданной задачи каким-либо новым путем". И на протяжении ряда лет Герц упорно продолжал думать над путями ее решения, проявляя изобретательность в области конструирования экспериментальных установок.

С 1887 г. Герц начинает ставить свои замечательные опыты. Прежде всего, он находит способ генерирования самых высокочастотных в то время колебаний, используя открытый колебательный контур -- вибратор Герца. Обладая малой емкостью и индуктивностью, вибратор действительно позволял получать колебания высокой частоты, возникающие при проскакивании искр в разрядном промежутке диполя. Рядом с этим генератором находился незамкнутый виток. Герц обнаружил, что в момент разряда в генераторе происходит проскакивание искры и между незамкнутыми концами витка, расположенного недалеко от генератора. Уже само по себе это было необычайное явление -- передача электродинамического действия на расстояние. Это были первые в мире передатчик и приемник.

Схема опыта Герца

Продолжая опыты, Герц обнаружил, что искра во втором контуре имеет максимальную интенсивность, если контуры настроены в резонанс, т. е. имеют одинаковые собственные частоты колебаний. Таков еще один важнейший шаг, сделанный Герцем в исследовании электромагнитных волн, или, как говорил сам Герц, "электрических лучей" (он не сразу понял, что получил предсказанные Максвеллом волны). Герц видоизменил приемный контур и, в конце концов, придал ему вид, который теперь называется диполем Герца, -- это прямой провод с искровым промежутком посередине.

Герц расположил около вибратора сначала металлический лист, а затем параллелепипед из диэлектрика и обнаружил, что искра в резонаторе теперь проскакивает при большем зазоре искрового промежутка. Это он объяснил тем, что в проводнике под действием колебаний вибратора возникают токи проводимости, а в диэлектрике -- токи смещения, которые и показывают электромагнитное воздействие на резонатор. Это подтверждение об эквивалентности токов смещения и проводимости.

Герц удалял резонатор от вибратора -- искровой разряд в резонаторе происходил и при расстояниях порядка полутора метров, а затем обнаруживался и на больших расстояниях. Особенно поразило Герца наличие заметного действия на больших расстояниях. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону обратного квадрата и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметными. Герц же открыл поле, отпочковавшееся от источника, напряженность которого убывала вблизи излучающего источника пропорционально первой, а не второй степени расстояния.

Продолжая исследования, Герц при удалении резонатора от вибратора обнаружил, что в большом помещении с увеличением расстояния размер искр не убывает монотонно, а периодически меняется. Он справедливо объяснил это тем, что происходит интерференция прямой волны и отраженной от стены, в результате чего образуется стоячая волна, в пучностях которой искра максимальна. Этот опыт наиболее убедительно доказывал, что электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, действительно существуют.

По Максвеллу, свет -- это электромагнитные волны, следовательно, им должны быть присущи те же явления, что и свету. И Герц ставит опыты с целью проверки тождества световых и электромагнитных волн. Почти сразу он обнаруживает "тень" -- непрозрачность металлических листов для "электрических лучей", но не наблюдает огибания. "Не без удивления наблюдал я искры в закрытой комнате", -- пишет Герц об опытах, в которых генератор и приемник находились в соседних помещениях. Значит, диэлектрики "прозрачны" для волн. Но они должны вызывать преломление. И Герц обнаруживает явление преломления волн в асфальтовой призме весом более чем в тонну, причем отклонение соответствует тому, которое должно быть по Максвеллу. Последующие опыты показывают существование отражения волн, а затем и их поляризацию.

Герц ставит опыты между генератором и приемником решетку из параллельных проволок, от ориентации которой меняется интенсивность искры в приемнике (подобно тому, как аналогичный эффект обнаруживается в демонстрационных опытах с генератором сантиметровых волн). Зная период колебаний вибратора и измеряя длину волны, Герц вычисляет скорость распространения электромагнитных волн; она оказывается равной скорости света. "Мне представляется вполне вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электродинамического волнового движения", -- писал Герц. И, в конце концов, он утверждает: "Целью этих опытов была проверка основных гипотез теории Фарадея - Максвелла, а результат опытов есть подтверждение основных гипотез этой теории". И в другом месте: "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". Так поле, этот гипотетический объект теории Максвелла, превратилось в физическую реальность. В реальности поля после опытов Герца 1887 - 1888 гг. больше сомневаться не приходилось.

Герц придал уравнениям Максвелла современный вид, убедительно доказав своим творчеством справедливость его оценки Гельмгольцем: "Он одинаково способен как к овладению абстрактными математическими теориями, так и к решению вытекающих вопросов экспериментального порядка с большой ловкостью и большой изобретательностью в том, что касается методов".

"Генрих Герц обеспечил себе своими открытиями долгую славу в науке. Но память о нем будет жить не только благодаря его работам, но и благодаря его личным достоинствам: его постоянной скромности, радостной готовности признать чужие заслуги, неизмеримой благодарности, которую он сохранил по отношению к учителям... Он сам жаждал только истины, которой он следовал с величайшей серьезностью и с полной отдачей сил. Никогда не было в его душе и тени тщеславия или личного интереса. Даже там, где он имел бесспорное право воспользоваться открытиями, он был склонен молча отойти в сторону".

Опыты Герца утвердили теорию Максвелла в среде ученых. Но лучшими доказательствами истинности теории являлись не только опытные факты, но и практическое воплощение научных идей.

Не прошло и десятка лет со дня опытов Герца, как открытые им экспериментально электромагнитные волны начали применяться на практике. Любопытно, что сам Герц не мог себе представить практическую значимость открытых им радиоволн и даже написал в дрезденскую палату коммерции письмо о том, что исследование радиоволн надо запретить как бесполезное. То, что не удалось понять Герцу, со всей полнотой оценил А. С. Попов, впервые в мире применивший электромагнитные волны для радиосвязи и тем самым основавший современную радиофизику.

Открытие А. С. Попова вместе с опытами Герца явилось убедительнейшим доказательством того, что предсказанное в работах Фарадея и Максвелла электромагнитное поле есть субъективная реальность, а не гипотетический объект. Как же можно не верить в существование того, что человек не только воспроизвел в эксперименте, но и поставил себе на службу.

Заключение

Так, после длительной борьбы теория близкодействия одержала окончательную победу. Электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее, это особая форма материи, осуществляющая взаимодействие между заряженными частицами, существующая независимо от наших представлений о нем. Доказательством его реальности является и конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий.