Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

Предистория этого открытия связана с сочинением Гельмгольца «О сохранении силы» (1847, гл. 6). Из различных наблюдений над разрядами лейденских банок и особенно из независимости порождаемого при этом джоулева тепла от всех особенностей проволоки, замыкающей контур, Гельмгольц заключил о колебательном характере разряда. Точно так же в связи с принципом сохранения энергии Вильям Томсон (лорд Кельвин) дал в 1853 г. математическую теорию этого явления, к которой мы едва ли что-нибудь можем прибавить. Беренд Вильгельм Феддерсен (1832-1918) наблюдал с 1858 до 1862 г. эти колебания в виде

разрядной искры во вращающемся зеркале. В 1870 г. Фридрих Вильгельм Безольд (1837-1907) явно обнаружил колебания в проводящих проволоках со свободным концом и в цепи резонатора с разомкнутым искровым промежутком. Но впервые в руках Герца подобные резонаторы стали средством исследования волн в атмосфере, средством доказательства их поляризации, отражения, преломления, а также интерференции; они дали возможность также измерить длины волн и тем самым скорость распространения.

Волны, с которыми экспериментировал Герц, были сильно затухающими. Если мы теперь можем повторить его опыты с незатухающими волнами и, следовательно, с большей точностью, то этим мы обязаны технике. Но эта техника прошла трудный путь до 1913 г. и позже, пока научились получать незатухающие волны на основе принципа обратной связи (гл. 1), что было использовано для беспроволочного телеграфа и других подобных целей.

Как за Ньютоном последовала эпоха математического оформления механики, так отныне наступила пора математической обработки теории Максвелла. Для представления магнитных вихревых полей стационарных токов уже в прежние времена был введен вектор-потенциал. Теперь ему и скалярному потенциалу электростатики был противопоставлен запаздывающий потенциал, введенный в 1898 г. Альфредом Мари Лиенаром и в 1900 г. Эмилем Вихертом (1861-1928). В этом потенциале конечная скорость распространения электромагнитных волн находит свое наиболее четкое выражение. Перечисление всех исследователей, которые математически решали важные научные и технические проблемы переменных электрических полей, выходит далеко за рамки данной книги. В современном изложении теория Максвелла является замечательным творением, равноценным механике.

В начале XX века учение об электричестве и магнетизме казалось достаточно завершенным, тем более, что незадолго до этого атомистика внесла порядок и ясность в понимание явлений разряда в разреженных газах. Однако именно в самой существенной области этого учения, в области электропроводности, было открыто новое неожиданное явление. В 1835 г. измерениями Э. X. Ленца (1804-1865) было показано, что сопротивление металлов при охлаждении уменьшается. Камерлинг-Оннес (1853-1926) исследовал это явление при температуре 10° К, достигнутой в 1908 г. при ожижении гелия. Он нашел, что у металлов, например у золота, серебра, меди, имеется некоторое критическое значение сопротивления, ниже которого оно не падает. Но в 1911 г. он обнаружил сначала у ртути, а затем у свинца, олова и некоторых других металлов внезапное исчезновение сопротивления электрическому току, как только температура падала ниже критической точки, характерной для этих тел. Так была установлена сверхпроводимость. В 1914 г. Камерлинг-Оннес показал, что ток, циркулирующий в сверхпроводящем кольце, не изменялся по величине в течение нескольких дней без приложения какой-либо электродвижущей силы. Наконец, Камерлинг-Оннес нашел также, что при постоянной температуре сверхпроводимость может быть разрушена действием магнитного поля, после чего вступает в свои права закон Ома. Напряженность магнитного поля, при котором еще сохраняется сверхпроводимость, изменяется по мере понижения температуры и у чистых металлов может достигать несколько сот гаусс.

Последующие исследователи прибавили к списку сверхпроводников еще несколько чистых металлов, а также ряд сплавов и химических соединений. В. Гааз и его сотрудники заметили, что критическое значение напряженности поля для сверхпроводящей проволоки зависит от направления магнитного поля по отношению к оси проволоки. Объяснение этому явлению дал в 1932 г. М. Лауэ. Если поместить сверхпроводник

в однородное магнитное поле, то он деформирует это поле, потому что силовые линии обходят его, как это показал на основе теории Максвелла Габриэль Липп-ман (1845-1921). Но сжатие силовых линий обусловливает усиление поля в определенных точках поверхности; сверхпроводимость разрушается, как только в какой-либо точке достигается критическое значение поля. Это подтвердили в последующие годы измерения Гааза и его сотрудников на сверхпроводниках различной формы.

Но все же сверхпроводник не является проводником в смысле теории Максвелла. Нельзя сказать, что он отличается от других проводников только бесконечно большой проводимостью. Тогда магнитное поле, проникая внутрь проводника, должно было бы «вмораживаться» в нем при падении температуры ниже критической точки. Но в 1933 г. измерения В. Мейснера и Р. Оксенфельда показали, что оно при этом будет вытеснено, причем не существенно, производят ли раньше охлаждение ниже критической точки, а потом возбуждают магнитное поле, или наоборот. Этот эффект Мейснера требует дополнения теории Максвелла на совершенно новых основах.

По вопросу об отношении электромагнитного поля к его зарядам взгляды физиков менялись. Подобно тому как Ньютон и его последователи рассматривали гравитацию как причинно обусловленный результат действия масс, так каждый физик первоначально рассматривал электрические силы как результат действия зарядов. Фарадей и Максвелл выдвинули на передний план понятие поля, а заряды были сведены к своего рода сингулярным точкам поля. Но отношение опять перевернулось, когда в связи с электронной теорией на передний план выступили атомные носители электрических элементарных зарядов. Нам кажется, что ни одно из этих воззрений не соответствует фактам. За-

ряды и поле настолько связаны друг с другом, что одно не может существовать без другого. Поэтому наука может с одинаковым успехом как принимать заряды за основу для познания поля, так и заключать о зарядах из изменений электрических силовых линий. Это - логические заключения; они не имеют дела с реальным отношением причины и следствия. То же, конечно, относится к взаимоотношениям между полем тяготения и его массами.

Своеобразны отношения между учением об электричестве и механикой. Как уже говорилось, Максвелл пытался в 1862 г. дать механическую картину магнитного поля. Позднее, в период прогрессирующего признания его теории, многие пытались более рациональным путем представить механику эфира как основу для такой картины. И до известной степени можно подчинить теорию линейных замкнутых (квазистационарных) токов теории циклов, разработанной Гельм-гольцем на основе механики. Но это не больше, чем математическая аналогия между различными видами физических процессов. Во всяком случае она характерна для проникновения электродинамических воззрений в широкие круги; последнее иллюстрируется тем, что современный инженер чаще объясняет действие механических машин через соответствующую электрическую схему. Но постепенно к 1900 г. поняли, что общее сведение электродинамики к механике невозможно.