Электродинамика

После открытия Фарадеем электромагнитной индукции учение об электричестве развивалось по трем направлениям: во-первых, дальнейшее накопление эмпирического материала, во-вторых, поиски практического применения электричества, в-третьих, теоретическое обобщение экспериментальных фактов.

В первой группе исследований до конца века не удавалось найти ничего эквивалентного по своему значению открытию электромагнетизма и электромагнитной индукции. Но изучение электрических и магнитных свойств вещества привело в конечном счете к революционному преобразованию взглядов на строение вещества. Это предвидели Фарадей и Максвелл, сконцентрировавшие усилия на выяснении роли среды в электромагнитных процессах. Фарадей в 1845 г. открывает, что все тела природы влияют на магнитные взаимодействия, видоизменяющиеся под действием магнитного поля. Однако действие магнитного поля оказывается различным для различных тел. В 1851 г., в XXV серии своих "Экспериментальных исследований", он резюмирует результат своих опытов следующим образом:

"Всякое вещество обнаруживает подчинение магнитной силе ... оказывается, что все тела могут быть распределены в две большие группы: группу магнитных тел и группу, как я назвал, диамагнитных тел. Различие между этими двумя группами настолько велико и ясно, хотя весьма изменчиво по степени, что в том случае, когда тело первой категории притягивается, тело второй категории будет отталкиваться; когда стержень, приготовленный из какого-либо тела первой категории, принимает некоторое положение, стержень, сделанный из тела второй категории, устанавливается по направлению, составляющему с этим положением прямой угол".

Фарадей ввел термин: парамагнетизм для тел первой группы и диамагнетизм для тел второй группы. Следует указать, что диамагнитные отталкивания висмута были замечены Бругмансом в 70-х годах XVIII в., а в 1827 г. А. А. Беккерель нашел, что подобным же свойством обладает сурьма.

Фарадею принадлежит и заслуга открытия магнитной анизотропии кристаллического висмута, сурьмы, мышьяка и других веществ. Фарадей искал и электрическую анизотропию, но без успеха. Но он был убежден, что электрическая анизотропия, подобно магнитной, существует в природе, ибо существует оптическая анизотропия. Связь оптических, электрических, магнитных свойств ему казалась несомненной, и, исходя из гипотезы о существовании такой связи, он и открыл вращение плоскости поляризации в магнитном поле (эффект Фарадея, 1845 г.).

Фарадей исследовал также электропроводящие свойства тел. Особенно важны его исследования по электропроводности газов при различных давлениях. Им было открыто темное пространство в светящемся столбе разреженного газа, получившее название "фарадеевского темного пространства". Указания Фарадея на важность изучения газового разряда для понимания природы электричества полностью подтвердились последующим развитием науки. Физика разряда газов привела к важнейшим открытиям, преобразовавшим взгляды на строение вещества.

Наиболее важный вклад Фарадей внес в разработку учения об электромагнитном поле. Уже в первой серии "Экспериментальных исследований по электричеству" он выдвинул идею электротонического состояния. В девятой серии своих "Исследований" Фарадей приходит к выводу о глубокой связи электричества и магнетизма. "Если мы будем рассматривать электричество и магнетизм,- пишет он,- как следствия сил некоторого физического агента или особого состояния материи, проявляющейся в определенных перпендикулярных друг другу направлениях, то, как мне кажется, мы должны допустить, что эти состояния, или силы, в большей или меньшей степени могут переходить друг в друга". Это, пока еще не очень ясно выраженная, картина электромагнитного поля.

В двадцать восьмой серии "Экспериментальных исследований", написанной в 1851 г., через двадцать лет после открытия электромагнитной индукции, Фарадей рассматривает магнитные силовые линии. Фарадей ставит перед собой задачу исследовать это понятие и выяснить его пригодность для описания магнитных явлений. Он подчеркивает, что это понятие носит до известной степени формальный характер, "оно должно содержать в себе не более, чем нужно, чтобы характеризовать состояние силы в данном месте в отношении его величины и направления, оно не должно занимать в себе (до поры до времени) какого-либо представления о природе и физической причине явлений, не должно быть связано с подобным представлением и не должно от него зависеть". Ценность этой идеи, по мнению Фарадея, в том, что она помогает нам понять передачу силы, которая представляет собой явление, "протекающее вне магнита".

Для определения магнитных силовых линий Фарадей предложил использовать индукцию в движущемся проводнике. Таким образом, он предложил тот метод, который ныне используется для определения магнитного потока и магнитной индукции. "Движущийся провод,- говорит Фарадей,- можно одобрить в качестве правильного научного прибора, показывающего наличие магнитной силы... Мне лично представляется уже вполне ясным разнообразие возможных его конструкций и большие выгоды, как следствие этого разнообразия". Фарадей оказался прав. Пробные катушки, флюксметры имеют в своей основе идею Фарадея. Фарадей сформулировал и математическую зависимость между индуцируемым электричеством и изменением магнитного потока в пробном проводнике: "Количество электричества, приводимого в движение (вследствие индукции.- П. К.), прямо пропорционально числу пересекаемых линий". В этом, как известно, состоит принцип баллистического метода.

В двадцать девятой (последней) серии Фарадей с помощью опилок дал картину силовых линий магнитов и токов. Такие картины, впрочем, рисовали еще Декарт и особенно Эйлер в своих "Письмах к немецкой принцессе", оказавших большое влияние на развитие взглядов Фарадея.

В 1852 г. появились статьи Фарадея "О линиях магнитной силы" и "О физическом характере линий магнитной силы". Здесь Фарадей со всей ясностью указывает на возможность замены концепции сил, действующих на расстоянии, концепцией силовых линий. В особенности интересна короткая заметка "О физических линиях магнитной силы", датированная 11 июня 1852 г. Здесь Фарадей задается вопросом: "Насколько возможно и правдоподобно физическое существование таких линий?" Вопрос о реальности существования силовых линий, с нашей, современной точки зрения, эквивалентен вопросу о реальности поля.

Фарадей разбирает два крайних случая: действие тяготения и действие излучения. В случае тяготения линия действия между двумя притягивающимися центрами всегда прямая, на тяготение нельзя повлиять каким-либо третьим телом. "Нет никакого доказательства тому,- подчеркивает далее Фарадей,- чтобы в проявление этой силы каким-либо образом входило время, каково бы ни было расстояние между взаимодействующими телами, будь то от Земли до Солнца или от звезды до звезды". "В случае тяготения,- делает вывод Фарадей,- мы не обнаруживаем никакого явления, которое говорило бы в пользу представления о независимой или физической линии силы". Другими словами, для понятия поля тяготения как независимой физической реальности нет опытных данных.

Иное дело - поле излучения. В этом случае силовыми линиями служат световые лучи. Их направление можно изменить влиянием среды, "мы можем заставить их идти по криволинейным путям". Они независимы: "Мы можем отрезать их от источника и затем искать их и найти, прежде чем они достигнут своей конечной цели". "Они связаны со временем и требуют 8 минут, чтобы пройти от Солнца до Земли; таким образом, они могут существовать независимо от своего источника и от места, в которое в конце концов приходят. Таким образом, они имеют ясно различимое физическое существование" (курсив наш.- П. К.). Сопоставляя тяготение и излучение, Фарадей пишет: "Этими двумя примерами - тяготения или излучения - различие между воображаемой и физической линией силы выясняется сразу".

Карл Фридрих Гаусс

Итак, Фарадей отличает силовые линии, как формальное свойство изображения взаимодействий, от реальных, физических силовых линий, изображающих реальное поле. Реальное поле, по Фарадею, отличается следующими важными свойствами: оно изменяется средой, распространяется с конечной скоростью, может существовать независимо от своего источника и приемника. Взаимодействие тел посредством поля, по Фарадею, происходит следующим образом: тело-источник порождает поле, поле распространяется в промежуточном пространстве и затем поглощается телом-приемником. Эта картина гораздо ближе к современным представлениям о поле, чем к картине механических натяжений и давлений силовых трубок, которую обычно приписывают Фарадею. Во всяком случае Фарадей имел вполне твердое убеждение в существовании поля как физической реальности, пользуясь вместо понятия поля понятием физической линии.

Вильгельм Вебер

Однако современная Фарадею наука мало интересовалась этими идеями. Ее занимали количественные методы измерения токов, напряжений, сопротивлений и поиски практических применений и точного количественного закона, охватывающего все виды электромагнитных действий: кулоновские и амперовские силы и фарадеевскую индукцию. Во всех этих направлениях энергично работал немецкий ученый, бывший в начале своей научной деятельности сотрудником знаменитого математика Карла Фридриха Гаусса (1777- 1855), Вильгельм Вебер (1804-1891). Гауссом и Вебером были разработаны принципы магнитных измерений, из которых, в частности, возникла употребляемая и поныне гауссова абсолютная система единиц (1832). Гаусс предложил взять за основу измерений всех физических величин три единицы: единицу длины (в качестве таковой Гаусс предложил миллиметр), единицу массы (у Гаусса миллиграмм) и единицу времени (секунда). Другой крупнейшей заслугой Гаусса в измерительной физике была разработка им метода наименьших квадратов (1814) для определения коэффициентов тригонометрического ряда, представляющего с наилучшим приближением данную функцию, и создание им на основе этого метода теории ошибок измерений (1821). Вебер разрабатывал измерительную аппаратуру и совместно с Гауссом сконструировал в 1833 г. электромагнитный телеграф. К идее телеграфа они пришли при конструировании электроизмерительных приборов. Магнитометры, тангенс- и синус-гальванометры, электродинамометры конструировались В. Вебером. Чувствительные гальванометры изготовлял В. Томсон для работы по испытанию трансатлантического телеграфного кабеля. Изобретение телеграфа создало потребность в электроизмерительной аппаратуре, в аппаратах для управления током (реостатах, переключателях и т. д.). Наряду с Вебером существенный вклад в развитие электрометрии был внесен русским физиком - электриком, изобретателем электродвигателя, гальванопластики и телеграфных аппаратов Борисом Семеновичем Якоби (1801-1874). Якоби предложил эталон сопротивления из медной проволоки длиной 25 футов, толщиной ²/₃ мм и весом 22 449,3 мГ. Вебер в 1852 г. измерил этот эталон в абсолютных единицах. Якоби был одним из активных участников Международной комиссии единиц. Э. X. Ленц рассматривал законы разветвления токов и нашел правила, которые ныне под неверным названием "правил Кирхгофа" фигурируют в школьных учебниках. В 1844 г. Уитстон рассмотрел схему, известную теперь под названием "мостика Уитстона", и нашел условие отсутствия тока в мостике. В 1845 г. Г. Кирхгоф нашел общие законы распределения постоянных токов в сложных сетях. Методы электрометрии получили научное обоснование.

Однако никакой системы электрических единиц в электрометрической практике долгое время не было. В ходу были самые различные эталоны напряжений, токов, сопротивлений, установленные чисто эмпирически, без всякого научного обоснования. Так, например, напряжение измерялось в "даниэлях" и "кларках", так как за единицу напряжения принималась либо э. д. с. элемента Даниэля, либо э. д. с. элемента Кларка. Сопротивление измерялось как в упомянутых выше единицах Якоби, так и в единицах Дигнея (сопротивление железной проволоки длиной в 1 км, толщиной 4 мм). В 1864 г. Сименс предложил взять в качестве эталона сопротивления столб ртути сечением в 1 мм², длиной в 1 м, при 0°С. Эта единица называлась "сименс".

Борис Семенович Якоби

Впервые предложил определять электрические единицы на основе теоретических принципов В. Вебер. Его взгляды на природу электричества были проникнуты атомизмом. Он полагал, что "с каждым весомым атомом связан электрический атом". Идея "электрических атомов", т. е. электронов, была, таким образом, со всей отчетливостью высказана Вебером. Более того, Вебер полагал, что атомы положительного электричества могут существовать в свободном виде, а атомы отрицательного - в связи с весомыми атомами, так что свободные положительные заряды вращаются около отрицательно заряженных атомов, образуя амперовы молекулярные токи. Это - прообраз атома Бора, только с противоположными знаками ядра и электронов.

Электрические частицы Вебера взаимодействуют друг с другом на расстоянии. Вебер искал такую форму закона взаимодействия, которая охватывала бы кулоновские, амперовские и индукционные действия. Найденный им закон давал возможность рассчитывать электростатические и электродинамические взаимодействия, а также индукционные взаимодействия по методу Неймана. В работе "Общий принцип математической теории индуктированных электрических токов" (1848 г.) Нейман показал, что взаимодействия токов определяются с помощью некоторой функции, получившей в дальнейшем название вектор-потенциала. Введение этой функции имело очень важное значение для теории электричества. Нейман показал, что индукционная электродвижущая сила пропорциональна скорости изменения потенциальной функции. Выводы Неймана вытекали и из формулы Вебера. Но в формуле Вебера силы взаимодействия электрических частиц оказывались зависящими не только от расстояний, но и от относительных скоростей и ускорений этих частиц. Это обстоятельство настораживало физиков по отношению к закону Вебера. Больцман указывал, что работы Вебера, "при всем их остроумии и математической точности, носят сильный отпечаток искусственности, и, может быть, во все время только немногие воодушевленные приверженцы верили в их безусловную правильность". Гельмгольц доказывал, то силы Вебера, несмотря на то что они могут быть выражены через некоторую потенциальную функцию, противоречат закону сохранения энергии. Но, с другой стороны, закон Вебера давал возможность рационального построения системы единиц. В основании системы может быть положен закон Кулона для электрических взаимодействий. Единицы электричества и тока, выведенные из этого закона, Вебер называл механическими, мы теперь называем их электростатическими.

Во-вторых, в основу можно положить магнитные действия тока и закон Кулона для магнитных взаимодействий. Это магнитная, или, точнее, электромагнитная, система единиц.

И, наконец, в основу можно положить Амперов закон электродинамических взаимодействий. Электродинамическая единица тока совпадает по размерности с магнитной единицей и отличается от нее только численным значением (электромагнитная единица в √2 раз больше электродинамической).

В 1856 г. Вебер и Кольрауш произвели знаменитый опыт сравнения электродинамической и механической (электростатической) систем единиц. Это отношение оказалось равным постоянной с, входящей в закон Вебера, и выражалось именованным числом, имеющим размерность скорости. В гауссовой системе с = 439 440*10^6мм/_сек. Оно равно скорости света в пустоте, умноженной на √2. Отношение электромагнитной единицы к электростатической, таким образом, оказывается равным по величине и наименованию скорости света в вакууме. Этот интересный результат не получал в теории Вебера объяснения. В соединении с многочисленными другими фактами он приводил к полной запутанности и неразберихе в учении об электричестве. Недаром Энгельс называл состояние, в котором находилась теория электричества второй половины XIX в., состоянием идейного разброда. Необходимо было найти прочный идейный стержень теории электрических явлений. Это сделал английский ученый Джемс Клерк Максвелл (1831-1879) на основе анализа работ и воззрений Фарадея.

Джемс Клерк Максвелл

Первая работа Максвелла "О фарадеевских силовых линиях", выполненная им еще в студенческие годы, имеет целью рассмотреть методом силовых трубок Фарадея электрические и магнитные взаимодействия.

В связи с этим Максвелл вводит гидродинамическую модель некоторого стационарного потока жидкости, движущейся с некоторым сопротивлением, но без инерции в среде. Этой моделью Максвелл интерпретирует и изученные Фарадеем электрические и магнитные свойства среды. Коэффициент сопротивления представляет либо диэлектрические свойства, либо магнитные свойства, либо электропроводность вещества. Однако введенное Фарадеем электротоническое состояние, характеризующее инерционные свойства магнитного поля, ему не удалось представить с помощью этой модели, и он характеризует его с помощью векторной функции "электротонической напряженности", которая есть не что иное, как вектор-потенциал электромагнитного поля.

В последующих работах Максвелла, особенно в "Динамической теории поля", эта величина интерпретируется им как электромагнитное количество движения (электромагнитный момент) в данной точке. Правда, Максвелл рассматривает это электромагнитное количество движения только как формальную аналогию количества движения в механике и приписывает реально полю только энергию, а не количество движения. Выражение для энергии поля, постулированное Максвеллом, имеет решающее значение для всей его концепции, и нетрудно показать, что оно может быть выведено из тех обобщений фактов электростатики и электродинамики, которые были сделаны Максвеллом.

Эти обобщения касаются процесса индукции. Если в электрическое поле ввести проводник, то в этом проводнике начинается процесс смещения электрических зарядов, результатом которого будет появление индукционных зарядов на поверхности проводника. Этот процесс Максвелл обобщает и на случай чистого эфира, вводя для его характеристики векторную величину - смещение, измеряемое количеством электричества, смещаемым через единицу площади, перпендикулярной силовым линиям поля. Изменение этой величины со временем Максвелл рассматривал как ток, в том смысле, что он так же, как и ток проводимости, производит магнитные действия. В теории Максвелла все токи оказываются замкнутыми. Так, разрядный ток в проводнике, соединяющем обкладки конденсатора, замыкается в диэлектрике током смещения.

Максвеллом был обобщен и закон электромагнитной индукции. В домаксвелловской электродинамике рассматривались индукционные процессы только в проводниках. Максвелл интерпретировал процесс индукции как возникновение замкнутых линий электрического поля вокруг переменного магнитного потока. Эти линии возникают и в диэлектрике, даже в чистом эфире. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле - таково обобщение закона электромагнитной индукции, сделанное Максвеллом.

Эти обобщения математически выражаются системой уравнений, носящих ныне имя Максвелла. Из уравнений Максвелла вытекает важное следствие, предугаданное еще Фарадеем: переменное электромагнитное поле распространяется с конечной скоростью, равной в вакууме скорости света. Таким образом, из теории Максвелла вытекало существование электромагнитных волн. Эти волны распространяются в бесконечной диэлектрической среде с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, они поперечны, т. е. колебания электрических и магнитных сил перпендикулярны направлению распространения волны, и в каждый момент энергии электрического и магнитного поля в данном объеме диэлектрика оказываются равными.

Отсюда Максвелл сделал два важных вывода. Первый - это тот, что свет представляет собой электромагнитные волны, и второй, что оптические свойства среды связаны с ее электромагнитными свойствами. В немагнитном диэлектрике квадрат показателя преломления равен диэлектрической проницаемости среды. Максвелл, однако, предупредил, что при экспериментальной проверке возможны расхождения, ибо электрические и магнитные коэффициенты измеряются в статических или медленно меняющихся полях, тогда как оптические коэффициенты измеряются в таких быстро меняющихся полях, какими являются световые колебания. Электромагнитная оптика Максвелла - это оптика бесконечно длинных (по сравнению с длиной световой волны) волн.

Поскольку в электростатике и магнитостатике фарадеевско-максвелловские теории взаимодействия обусловлены взаимодействием силовых трубок, оказывающих давление друг на друга, Максвелл заключил, что электромагнитная волна должна давить на проводящую поверхность, так как по ту сторону поверхности трубки исчезают и остается неуравновешенное давление трубок падающей и отраженной волны. Максвелл рассчитал величину этого давления, которое для поглощающих поверхностей должно быть равно объемной плотности энергии, для отражающих - удвоенной величине. Этот вывод Максвелла подвергся критике, однако позднее Бартоли, а затем Больцман вывели из термодинамических соображений существование светового давления, а в 1889 г. Лебедев измерил это давление экспериментально и показал, что оно совпадает с теоретическим значением, найденным Максвеллом. Опыты Лебедева рассматривались как триумф теории Максвелла, но в первоначальной максвелловской концепции для светового давления все же места не было, ибо Максвелл не приписывал электромагнитному полю никаких механических характеристик, кроме энергии. Понятие импульса было применено к полю позже (Д. Д. Томсоном, Абрагамом, Пуанкаре).

Хотя Максвелл, выводя свои уравнения, исходил из механической аналогии и пользовался механическими моделями, хотя он был первым, приложившим аппарат механики Лагранжа к электромагнитным процессам, он ясно понимал, что его уравнения являются законами новой области физических процессов, не сводимых к механике. Внутренние взаимосвязи этой области, по признанию самого Максвелла, "значительно более многочисленны и сложны, чем любой до сих пор разработанной научной дисциплины".

Электромагнитные процессы внешним образом связаны и с механикой, и с теплотой, и с химией, что, по мнению Максвелла, указывает на особую важность науки об электричестве, "как науки, помогающей объяснить природу". "Исходя из этого мне представляется,- пишет Максвелл,- что изучение электромагнетизма во всех его проявлениях, как средства движения науки вперед, сейчас приобрело первостепенную важность".

Но для изучения электромагнетизма надо было отрешиться от мысли о его механическом объяснении, в частности, надо было "оставить сослуживший такую хорошую службу эфир и поставить на его место среду, свойства которой не были похожи ни на одно из известных тел". Шустер, написавший эти строки, указывает, что многие физики противились этому. "На стороне старых воззрений был даже сам лорд Кельвин со всем весом своего громадного авторитета".

"В основе теории Максвелла и развившегося из нее электромагнитного миропонимания,- писал О. Д. Хвольсон в 1924 г.,- лежит непонятная гипотеза, первый пример того духа, который характерен для новой физики и которого не было в физике старой".

Положение осложнялось еще тем, что основные посылки и следствия теории не были в достаточной мере подтверждены экспериментально. Следствие теории, что электродинамическая постоянная (отношение электростатической и электромагнитной систем единиц) совпадает со скоростью света в вакууме, не опровергалось экспериментальными данными, но и не могло считаться подтвержденным с достаточной точностью. Еще хуже обстояло дело с соотношением n = √ε. Единственные данные, которыми располагал Максвелл, были измерения диэлектрической проницаемости парафина (Гибсон и Баркла) и измерения коэффициента преломления того же парафина (Гладстон), давшие неутешительный для теории результат, который, однако, не обескуражил Максвелла. Он, как и впоследствии Эйнштейн, был глубоко убежден в справедливости теории, и эта убежденность передалась и его ученикам, которые даже не постарались проверить экспериментально важнейшие выводы теории. Эта проверка выпала на долю русских и немецких ученых.

Николай Николаевич Шиллер

Здесь прежде всего необходимо отметить классические измерения Больцмана, определившего диэлектрические проницаемости ряда твердых веществ, и в особенности газов. Эти измерения подтвердили в основных чертах выводы теории. Затем следует указать на работы (1874 г.) Н. Н. Шиллера (1860-1922), измерившего диэлектрические проницаемости твердых тел в переменных полях, и на измерения (1875 г.) П. А. 3илова (1850- 1921), разработавшего оригинальный метод для определения диэлектрических проницаемостей жидкостей. Результаты Больцмана, Шиллера и Зилова приводил Максвелл в своей книге "Электричество в элементарном изложении", изданной посмертно в незаконченном виде. Хотя эти измерения и подтверждали в основном выводы теории, они указывали и на необходимость ее дополнения. В особенности существенное расхождение было найдено в 1888 г. Коном и Аронсом для воды и С. Я. Терешиным в 1889 г. для этилового спирта и той же воды. Эти авторы работали по методу Зилова. Что касается измерений с, то они проводились с 1879 г. почти ежегодно учеными разных стран и подтверждали вывод теории. Окончательный триумф теории Максвелла был доставлен опытами Герца.

Густав Генрих Герц

Генрих Герц (1857-1894) был побужден своим учителем Гельмгольцем к экспериментам, позволяющим сделать выбор между различными теориями электродинамики, в частности между собственной теорией Гельмгольца и теорией Максвелла. Гельмгольц обратил внимание молодого Герца на конкурсную задачу Берлинской Академии наук о связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией. Первоначальные попытки Герца найти такую связь не дали результатов.

Только спустя почти десять лет в Карлсруэ ему удалось найти способ генерирования и детектирования весьма быстрых электрических колебаний, что позволило решить поставленную задачу в пользу теории Максвелла, получить свободные электромагнитные волны, измерить их длину, продемонстрировать их отражение, преломление, дифракцию и интерференцию. В ходе решения проблемы Герц развил дальше теорию Максвелла, написал ее уравнения в измененной, ныне общеупотребительной форме, исследовал частное решение этих уравнений для случая так называемого осциллятора Герца. В этом случае поле может быть разбито на три области: ближнюю, промежуточную и волновую. В ближней области поле совпадает с квазистатическим полем: электрическое поле - с полем диполя, убывающим обратно пропорционально третьей степени расстояния от центра вибратора, магнитное - с полем элемента тока, определяемым согласно закону Био-Савара, напряженность которого убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра элемента. Большой неожиданностью для Герца было открытие волнового поля, отпочковавшегося от диполя, напряженность которого убывает обратно пропорционально первой степени расстояния от диполя. За пять лет до опытов Герца появилась работа Пойнтинга о переносе энергии электромагнитным полем, которая в свою очередь была частным случаем общей теории о движении энергии, разработанной в 1873 г. Н. А. Умовым (1846-1915). Герц применил вектор Пойнтинга-Умова к вычислению потока энергии, излучаемой диполем в окружающее пространство, и показал, что количество энергии, излучаемое вибратором в окружающее пространство, не зависит от расстояния и будет прямо пропорционально квадрату длины диполя и обратно пропорционально кубу длины волны, генерируемой диполем. Этот результат явился отправным пунктом в теории антенн. Теоретические основы радиотехники были заложены Герцем.

Николай Алексеевич Умов

Сам Герц сформулировал результаты своих опытов следующим образом:

"Целью этих опытов была проверка основных гипотез Фарадея - Максвелла, а результат опытов есть подтверждение основных гипотез этой теории".

Герц открыл для физиков новый объект - свободное электромагнитное поле. Задача состояла в том, чтобы научиться генерировать это поле, обнаруживать его и управлять им. В год смерти Герца (1894 г.) его опыты были воспроизведены на IX съезде русских естествоиспытателей П. Н. Лебедевым, который, построив миниатюрные вибратор и резонатор, получил самые короткие для того времени электромагнитные волны длиной в 6 мм. С этими волнами Лебедев не только, повторил все опыты по отражению, преломлению, дифракции и интерференции, но и доказал двойное преломление этих волн в кристаллической сере и продемонстрировал поляризационные явления. Синтез электромагнетизма и оптики был продемонстрирован с величайшей наглядностью.

Джегдиш Чандра Бозе

В 1896 г. Джегдиш Чандра Бозе (1858-1937) в докладе Британской ассоциации сообщил об опытах с короткими (2-0,6 см) электромагнитными волнами. Ему удавалось передавать сигналы через стены зданий, А. С. Попов (1859-1906) в 1900 г. в своих лекциях по беспроволочной телеграфии воспроизводил опыты Бозе и Лебедева с короткими электромагнитными волнами.

Александр Степанович Попов

Герц к мысли об использовании электромагнитных волн для целей телеграфии относился скептически, размышляя о размерах зеркал, которые понадобились бы для телеграфа, действующего по принципу оптического. Здесь его подвела аналогия с оптикой. Практика пошла по специфическому пути радио, вернувшись к оптической аналогии только в наши дни. Была изобретена антенна (Тесла, Попов), построен достаточно чувствительный детектор - когерер (Бранли, Лодж), и, наконец, А. С. Попов сконструировал практически пригодный приемник радиосигналов (грозоотметчик, 7 мая 1895 г.), а в 1896 г. осуществил первую передачу и прием радиограмм из одного здания в другое.

В том же году начал эксперименты по беспроволочной телеграфии Маркони (1874-1937), которому удалось довести дело до коммерческих результатов. Радиотехника родилась, а вместе с ней теория Максвелла получила подтверждение практикой - высшим критерием истины.

Подтверждение теории Максвелла означало победу в физике электромагнитной теории света. Но электромагнитная оптика должна была решить ряд важных проблем: проблему взаимодействия света с веществом, проблему влияния движения среды на распространение света и, наконец, проблему излучения света веществом. Решение этих проблем привело к коренным изменениям в физике. В конце XIX в. физика находилась в состоянии переворота, вызванного новыми открытиями.