Валерий Родиков - Приключения радиолуча

Нынешние идеи намного труднее вообразить. Правда, мы используем для этого множество средств. В ход пускаются математические уравнения и правила, рисуются различные картинки. Вот сейчас я ясно осознаю, что всегда, когда я завожу речь об электромагнитном поле в пространстве, фактически перед моим взором встает своего рода суперпозиция всех тех диаграмм на эту тему, которые я когда-либо видывал. Я не воображаю маленьких пучков линий поля, снующих туда и сюда; они не нравятся мне потому, что если бы я двигался с иной скоростью, то они бы исчезли. Я не всегда вижу и электрические, и магнитные поля, потому что временами мне кажется, что гораздо правильнее была бы картина, включающая векторные и скалярные потенциалы, ибо последние, пожалуй, имеют больший физический смысл, чем колебания полей.

Быть может, вы считаете, что остается единственная надежда на математическую точку зрения? Но что такое математическая точка зрения? С математической точки зрения в каждом месте пространства существует вектор электрического поля и вектор магнитного поля, то есть с каждой точкой связаны шесть чисел. Способны ли вы вообразить шесть чисел, связанных с каждой точкой пространства? Это слишком трудно. А можете вы вообразить хотя бы одно число, связанное с каждой точкой пространства? Я лично не могу! Я способен себе представить такую вещь, как температура в каждой точке пространства: имеется теплота и холод, меняющиеся от места к месту. Но, честное слово, я не способен представить себе число в каждой точке.

Может быть, поэтому стоит поставить вопрос так: нельзя ли представить электрическое поле в виде чего-то, сходного с температурой, скажем, похожего на смещение куска студня? Сначала вообразим, что мир наполнен тонкой студенистой массой, а поля представляют собой какие-то искривления (скажем, растяжения или повороты) этой массы. Вот тогда можно было бы мысленно представить себе поле. А после того как мы «увидели», на что оно похоже, мы можем отвлечься от студня. Именно так многие и пытались делать довольно долгое время. Максвелл, Ампер, Фарадей и другие пробовали таким способом понять электромагнетизм. (Порой они называли абстрактный студень «эфиром».) Но оказалось, что попытка вообразить электромагнитное поле подобным образом на самом деле препятствует прогрессу. К сожалению, наши способности к абстракциям, к применению приборов для обнаружения поля, к использованию математических символов для его описания и т. д. ограничены. Однако поля в известном смысле — вещь вполне реальная, ибо, закончив возню с математическими уравнениями (все равно, с иллюстрациями или без, с чертежами или без них, пытаясь представить себе поле въяве или не делая таких попыток), мы все же можем создать приборы, которые поймают сигналы с космической ракеты или обнаружат в миллиарде световых лет от нас галактику и тому подобное».

Пусть простит меня читатель за то, что привел столь пространный ответ профессора. Высказывание его несомненно поучительно. Как мы видим, непросто вообразить электромагнитную волну, и вполне возможно, что ее истинная картина совсем не такая, какой она предстает перед нами в различных моделях. Самый лучший и правильный путь — абстрактное представление электромагнитного поля. Надо просто, не ломая себе голову по поводу действительной картины, рассматривать поле как математические функции координат и времени. Вспомним, что Максвелл для объяснения физического смысла тока смещения прибегал к эфиру, от которого потом отказались. А математическая сторона явления оказалась независимой от тех физических одежд, в которую ее пытались, и небезуспешно, одеть. Так и мы прибегнем к абстрактной модели электромагнитной волны.

Чтобы применить математику к исследованию какого-либо явления, надо его как-то измерить. Как же измерить электромагнитную волну — неразрывную комбинацию электрического и магнитного полей? Со школы мы знаем, что электрические и магнитные поля проявляют себя в виде сил, действующих на электрический заряд. Вот эти силы могут быть непосредственно измерены. Через них и придем к характеристикам электрического и магнитного полей. Электрическое поле задается его напряженностью Е — силой, которую оказывает поле на единичный электрический заряд. Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В. Она определяет силовое воздействие магнитного поля на движущийся заряд. (На неподвижный заряд магнитное поле не действует.) Е и В — величины векторные, то есть они определяют не только количественное значение электрической и магнитной сил, но и их направление.

А теперь рассмотрим одну из «конструкций» электромагнитной волны. Ее будет вполне достаточно и для радиолюбительской и даже для инженерной практики. Пример, можно сказать, классический — плоская электромагнитная волна. Ее «изобрел» еще Оливер Хейвисайд. Чтобы представить себе плоскую волну, обратимся опять к эксперименту с бросанием камня в пруд. Волна на поверхности воды от брошенного камня расходится в виде ряби — концентрическими кругами. Фронт ее, то есть самая передняя часть волны, — окружность. Плоская же волна распространяется всюду в одном направлении, и фронт ее передвигается словно огромная плоскость.

Строго говоря, такие плоские волны создать невозможно. Но на очень большом расстоянии от места возникновения волны ее фронт можно считать плоским, точно так же как во многих задачах плоской полагают поверхность Земли. Солнечный свет — тоже плоская волна: слишком далеко она ушла от своего источника.

А теперь представим себе две взаимно перпендикулярные плоскости: горизонтальную и вертикальную, и вообразим, что каждая из них — это водная гладь. Конечно, непривычно мыслить водную поверхность вертикальной, но и не так уж трудно. Предположим, что мы и окружающий нас мирок незаметно для нас сместились на 90 градусов. Все осталось как прежде, только стороннему наблюдателю видится, что пол вертикален, и мы ходим по нему как по вертикали. В общем, уподобимся фантастам: будем считать, что у нас два пространства. Одно обычное, другое — повернутое на 90 градусов.

Проведем мысленный эксперимент. Бросим камень на линию пересечения водных поверхностей. И побегут волны по воде наших прудов: вертикального и горизонтального. Нас будет интересовать совместная картина волн на пересечении водных поверхностей. В любой точке они будут синфазны (совпадать по фазе), то есть иметь одно и то же состояние, в нашем случае амплитуду. Если в вертикальном пруду гребень, то в горизонтальном — тоже, если в вертикальном — впадина, то соответственно в горизонтальном в таком же месте тоже впадина. Вот вам и аналог плоской электромагнитной волны. Линия пересечения водных поверхностей в спокойном состоянии — это линия распространения электромагнитной волны. Профиль волны горизонтального пруда в вертикальной плоскости — аналог распространения электрического поля, то есть вектора Е, а профиль вертикального пруда в горизонтальной плоскости — аналог магнитного поля, то есть вектора В.