8. Электромагнитные волны

Бэкон о законах природы

Фундаментальные законы природы, к числу которых относятся найденные Максвеллом законы электромагнетизма, замечательны в следующем отношении: "они могут дать больше, чем заключено в том материале, из которого они получены". Именно благодаря этому возможна наука. В самом деле, если бы (перефразируя Козьму Пруткова) каждый закон, подобно колбасе, содержал бы лишь то, чем он начинен, то законов было бы столько же, сколько явлений природы, и мы вместо современной науки имели бы необозримое скопление сведений о наблюдаемых в природе процессах, но ничего нового не могли бы предсказать.

Этот факт касается самого смысла науки, и поэтому необходимость его стала понятной еще до того, как были сформулированы законы механики. Приведенное выше высказывание принадлежит английскому философу Бэкону и было сделано им до выхода в свет основного труда Ньютона "Математические начала натуральной философии".

Как передается электромагнитное взаимодействие

Среди бесчисленных следствий, вытекающих из уравнений для электромагнитного поля Максвелла, содержался результат чрезвычайной важности, предугадать который заранее было бы трудно. В них содержалась, как обнаружил сам Максвелл, конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий.

Согласно концепции дальнодействия сила Кулона, действующая на электрический заряд, сразу же изменится, если соседний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрения действия на расстоянии иначе быть не может. Ведь один заряд непосредственно через пустоту "чувствует" другой.

По Максвеллу дело обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение заряда меняет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле (ток смещения) порождает переменное магнитное поле в соседних областях пространства.

Переменное магнитное поле в свою очередь рождает переменное электрическое поле в соответствии с полевым истолкованием явления электромагнитной индукции, электрическое в свою очередь - магнитное и т. д. Причем возникающие вихри магнитного (или электрического) поля гасят поле в тех участках, где оно уже имелось, но захватывают новые области пространства. Все происходит по тем правилам определения направления полей, о которых мы уже говорили раньше. Если бы поля были направлены иначе, то это привело бы к нарушению закона сохранения энергии. Созданное в пространстве магнитное поле нарастало бы со временем, одновременно распространяясь во все стороны.

Перемещение заряда вызывает таким образом к жизни дремавшие до этого "способности" электромагнитного поля, и в результате всплеск этого поля, распространяясь, охватывает всё большие и большие области окружающего пространства, перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда. Наконец этот всплеск достигнет второго заряда, что и приведет к изменению действующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент времени, когда произошло смещение первого заряда. Процесс распространения электромагнитного возмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотя и очень большой скоростью.

Как возникает электромагнитная волна

Имея в руках только перо и систему уравнений электромагнитного поля перед глазами, Максвелл чисто математически показал, что скорость распространения этого процесса равна скорости света в пустоте: триста тысяч километров в секунду. Вот новое фундаментальное свойство поля, которое делает его, наконец, осязаемой реальностью. Можно поставить опыт по измерению времени распространения возмущения между двумя зарядами. Практически, правда, подобный опыт вряд ли удастся осуществить, так как очень велика скорость. Но это не так уж существенно. Важно, что впервые появилась возможность доказать существование поля опытным путем. Если эта возможность есть, то рано или поздно всегда будет найден такой вариант опыта, который окажется осуществимым. Так и произошло в действительности, когда Герцу удалось получить электромагнитные волны.

Представьте себе, что электрический заряд не просто сместился из одной точки в другую, а приведен в быстрые колебания вдоль некоторой прямой, так что он движется подобно грузу, подвешенному на пружинке, но только много быстрее. Тогда электрическое поле в непосредственной близости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений, очевидно, будет равен периоду колебаний заряда. Электрическое поле будет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в свою очередь вызывает появление переменного электрического поля, уже на большем расстоянии от заряда, и т. д.

Электромагнитная волна

В окружающем заряд пространстве, захватывая всё большие и большие области, возникает система периодически изменяющихся электрических и магнитных полей ("моментальный снимок" такой системы, по-видимому, многим хорошо известен), и этот процесс распространяется со скоростью света. Образуется то, что мы называем электромагнитной волной, бегущей во все стороны от колеблющегося заряда. В каждой точке пространства электрические и магнитные поля меняются во времени периодически, но, так как чем дальше расположена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей, на разных расстояниях от заряда колебания не происходят синхронно.

Максвелл был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но дожить до их обнаружения ему не было суждено. Умер он сравнительно молодым, за 10 лет до того, как Герц впервые экспериментально доказал существование электромагнитных волн.

Взаимодействие посредством электромагнитных волн

Посредством электромагнитных волн осуществляется совершенно новый тип взаимодействия между электрическими зарядами. Излучаются волны колеблющимися электрическими зарядами, следовательно, зарядами, скорость движения которых меняется со временем, - зарядами, движущимися с ускорением. Ускорение - главное условие порождения электромагнитных волн. Электромагнитное поле излучается не только при колебаниях заряда, но и при резком изменении его скорости.

Итак, силы взаимодействия, осуществляемые электромагнитным полем, зависят не только от расстояния между частицами и их скоростей, но и от ускорений! Однако при этом от ускорения зависит только величина поля. Сила же, действующая на заряд со стороны электрического поля электромагнитной волны, по-прежнему зависит только от напряженности поля, а со стороны магнитного - еще от скорости движения заряда.

С чем большей частотой колеблется заряд, тем большее ускорение он имеет и тем соответственно более интенсивны излучаемые им волны. При увеличении частоты колебаний всего лишь в два раза излучаемая энергия возрастает в 16 раз! Поэтому в антеннах радиостанций возбуждаются колебания с частотой в сотни миллионов колебаний в секунду.

Самым важным фактом взаимодействия посредством электромагнитных волн, определяющим все его значение, является медленность убывания напряженностей полей в волне с расстоянием от источника. Как вы помните, электростатические силы и силы взаимодействия токов обратно пропорциональны квадрату расстояния и при этом считаются дальнодействующими. Убывание же с расстоянием полей в электромагнитной волне происходит обратно пропорционально самому расстоянию! Это крайне медленное убывание. Все другие силы уменьшаются с расстоянием гораздо быстрее. Здесь же, как показывают вычисления, за счет последовательного возбуждения полей друг другом они оказываются способными уходить от источника очень далеко. Вот почему поля даже сравнительно маломощной радиостанции могут быть обнаружены на расстояниях в тысячи километров, в то время как статические поля на таких расстояниях уже никак не сказываются.

Здесь мы встречаемся с любопытным фактом. Поле, создаваемое зарядом на малых от него расстояниях, - это, в основном, кулоновское поле (правда, несколько модифицированное движением источника) со сравнительно малыми добавками вихревых электрических и магнитных полей. Но стоит нам отойти подальше - и эти добавки окажутся на первом плане и затмят быстро спадающие с расстоянием кулоновские поля.

Нечто похожее происходит, если угодно, и с людьми. Разве редко случалось, что современники, смотревшие, так сказать, с малого расстояния, не понимали, за единичными исключениями, тех людей, истинные масштабы величия которых стали явственными только благодаря исторической перспективе? Кеплер, поздний Рембрандт, Лобачевский... разве перечислишь? Бывает и наоборот. Помните в старой сказке Андерсена: "Позолота вся сотрется, свиная кожа остается...". Но стоит ли говорить о свиной коже - к счастью, прекрасное обладает куда большим "радиусом действия".

Но вернемся к электромагнитным волнам.

По той же причине, о которой мы говорили выше, мы видим (ведь свет - тоже электромагнитная волна) звездные скопления, удаленные от нас на невообразимые расстояния, которые свет преодолевает только за сотни миллионов лет!

Нельзя не упомянуть и еще об одной стороне процесса излучения. Если частица излучает, то расходящиеся электромагнитные волны уносят с собой энергию. Излучающая частица теряет энергию и, следовательно, должна испытывать некоторое торможение. На нее действует нечто подобное силе трения. Но что же это за сила? Со стороны чего она действует?

Нам хорошо известно, что на заряженную частицу действует сила со стороны электрического и магнитного полей. Пока мы имели в виду только внешние (т. е. создаваемые окружающими частицу заряженными телами) поля. Но ведь есть еще и поля собственные, создаваемые самой частицей. Не оказывают ли они воздействия на порождающий их источник? Легко сообразить, что никаких сил самовоздействия нет, если источник покоится. Ведь иначе произошло бы совершенно невероятное: самоускорение частицы, предоставленной самой себе. Положение не меняется и при равномерном и прямолинейном движении источника (в чем легко убедиться, вспомнив, что покой есть просто частный случай равномерного прямолинейного движения). В этих простейших случаях полевой шлейф несется вместе с частицей, не отрываясь и не деформируясь.

Совсем иной становится картина, если, например, резко подтолкнуть источник. Будь скорость распространения электромагнитных сигналов бесконечно большой, вслед за совершившей "рывок" частицей метнулось бы и все создаваемое ею поле, а, следовательно, сила самовоздействия как была, так и осталась бы нулевой. Но этого не происходит. Частица успевает выскочить из положения равновесия в собственном поле, вследствие чего должна появляться сила, стремящаяся вернуть ее в это положение, - тормозящая сила. Частица как бы увязает в собственном поле. Недаром физики говорят, что появляется "радиационное трение". Не будет ошибкой сказать, что энергия, теряемая излучающей частицей, равна работе силы радиационного трения, т. е. силы, с которой действует на источник создаваемое им поле.

Кулоновское поле

Но у самовоздействия есть и еще одна интересная черта. Мы сказали, что сила самовоздействия покоящейся (или равномерно и прямолинейно движущейся) частицы равна нулю. Но из этого вовсе не следует, что равна нулю и энергия самовоздействия. Полевой шлейф имеет энергию, он имеет массу, он, следовательно, вносит свой вклад в инерцию частицы.

Если бы электрон вдруг потерял по какой-то таинственной причине свой заряд, в то же мгновение уменьшилась бы его масса. На какую долю? Вот этого мы пока не знаем. Да это и не удивительно. Ведь здесь мы касаемся таких сторон взаимодействия между частицами и создаваемым ими полем, разобраться в которых можно лишь после основательного углубления наших знаний о том, что часто называют структурой элементарных частиц. А это пока еще область науки завтрашнего дня.