Опыты Герца, в результате которых были открыты электромагнитные волны, явились блестящим подтверждением наличия электромагнитного поля Фарадея — Максвелла.
Однако существование в окружающем пространстве мировой среды (эфира) должно каким-то образом проявляться при движении в нем материальных тел. Для этого в начале XX века был проведен ряд экспериментов по обнаружению «эфирного ветра».
Опыты Физо и Майкельсона — Морли были попыткой обнаружить «эфирный ветер» при движении Земли вокруг Солнца, однако они дали отрицательные результаты, что послужило основанием для отказа от гипотезы о существовании эфира. Таким образом, представление об электромагнитном поле как об особом состоянии эфира было заменено новым представлением: электромагнитное поле стало рассматриваться как особая форма существования материи.
В настоящее время теоретическая физика изучает различные типы физических полей: электромагнитное, гравитационное (или поле тяготения), мезонное, электронно-позитронное и др.
Рис. 4. Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне
В современном представлении физические поля и «элементарные» частицы — электроны, протоны, нейтроны, различные типы мезонов — и другие частицы имеют много общего.
«Элементарные» частицы, по квантовой теории поля, суть кванты, т. е. «возбужденные» состояния соответствующего поля.
Любое состояние поля характеризуется его энергией, и в зависимости от величины этой энергии можно говорить о том или ином состоянии поля. Следует заметить, что возможны не любые состояния поля, а только вполне определенные, дискретные состояния, причем «возбужденные» состояния поля есть состояния с большей энергией.
Как говорилось выше, «элементарные» частицы являются квантами того или иного физического поля. Так, например, электроны являются квантами электронно-позитронного поля, фотоны — квантами электромагнитного поля и т. д.
Проявление квантовых особенностей различно для различных типов полей. Если кванты электромагнитного поля могут возникать в каком угодно количестве, причем их может возникнуть как четное, так и нечетное число, то кванты электронно-позитронного поля возникают только парами: одновременно с возникновением электрона возникает и позитрон, электрический заряд которого противоположен заряду электрона.
Скорости распространения взаимодействий для различных типов полей также различны. В то время как кванты электромагнитного поля (фотоны) распространяются со скоростью света (300 000 км/сек) и имеют массу покоя, равную нулю, кванты мезонных полей, обладая отличной от нуля массой покоя, распространяются с гораздо меньшей скоростью.
Поле, в котором отсутствуют кванты (т. е. поле, имеющее некоторую минимально возможную «наинизшую» энергию), называют «нулевым» полем или вакуумом. Таким образом, вакуум представляет собой вполне определенное состояние поля и вовсе не является абсолютно пустым пространством.
Построить полную и законченную теорию взаимодействующих полей очень трудно, и эта задача в настоящее время еще не завершена.
Над созданием единой теории поля работали такие выдающиеся (физики, как А. Эйнштейн и В. Паули.
В настоящее время в теоретической физике возникло и с успехом развивается новое направление, ставящее целью построить единую теорию поля, основываясь па так называемых «самодействиях», т. е. взаимодействиях некоторой «праматерии», как ее условно называют физики, самое с собой. Это направление получило название нелинейной теории материи. В разработке и построении такой теории принимают участие известный физик, один из основоположников ква, нто, вой механики В. Гейзенберг, советские физики Д. Д. Иваненко, А. М. Бродский и другие.
Успехи, достигнутые за короткое время при разработке и построении этой теории (были теоретически получены массы почти всех «элементарных» частиц; показана необходимость введения некоторой минимально возможной «элементарной» длины, характеризующей структуру любого типа поля и в том числе вакуума и являющейся по существу границей тех закономерностей в микромире, которые еще могут описываться современной квантовой физикой), позволяют надеяться, что рано или поздно будет создана единая «нелинейная» теория материи и тем самым будет сделан еще один шаг на пути познания бесконечно разнообразного в качественном и количественном отношениях окружающего нас мира.
Теория относительности и ускорители частиц
Теория относительности, которая изучает законы движения материальных тел в пространстве и во времени, и квантовая механика, описывающая микромир с его особенностями, взаимно дополняют друг друга и являются теми инструментами, при помощи которых наука открывает новые законы и глубже познает природу.
В повседневной жизни мы встречаемся с чрезвычайно разнообразными процессами и явлениями, скорость протекания которых различна. Известно, что развитие животных и растений происходит в течение месяцев, лет и десятков лет. Но в природе существуют процессы, длительность которых измеряется миллионными и даже миллиардными долями секунды.
Так, электрическая искра, возникающая при разряде конденсатора, «живет» от долей микросекунды до нескольких сотен микросекунд, а время «жизни» некоторых «элементарных» частиц может составлять 10−14—10−15 секунды.
До появления приборов, с помощью которых можно было измерять такие малые промежутки времени, люди пользовались законами, справедливыми для небольших (по сравнению со скоростью света) скоростей. Вся классическая физика, и в частности механика, строилась на предположении о независимости хода процессов в материальной системе от скорости этой системы относительно других систем.
Принцип относительности Галилея, заключающийся в том, что никакими механическими опытами нельзя обнаружить равномерное и прямолинейное движение системы, в которой находится наблюдатель, утверждал, что при сложении двух одинаково направленных скоростей v1 и v2 результирующая скорость равна v1 + v2. Однако, как выяснилось впоследствии, дело обстоит гораздо сложнее: при скорости v, соизмеримой со скоростью света с, действует иной закон сложения скоростей, а именно:
Подсчитаем результирующую скорость, гели v1 =v2=с. В этом случае
т. е. результирующая скорость также равна скорости света с. Но не противоречит ли полученный результат здравому смыслу? Почему же в действительности справедлив новый закон, а не старый?
Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить опыты Майкельсона, в результате которых удалось сделать поистине парадоксальный вывод: скорость света является абсолютно постоянной в любых движущихся материальных системах. Опыт Майкельсона иллюстрируется рис. 5.
Луч света от источника падает на полупрозрачное зеркало 3, где делится на два луча.
Рис. 5. Ход лучей в интерферометре Майкельсона
Луч, отраженный от зеркала, дойдя до отражателя О1 возвращается по тому же пути обратно и попадает на экран. Луч, прошедший через зеркало, дойдя до отражателя O2, возвращается к зеркалу, отражается от него и попадает на экран.
Таким образом, на экран падают одновременно два луча, колебания в которых имеют одну и ту же частоту и одинаковый сдвиг фаз. На экране можно наблюдать сложение (интерференцию) этих двух лучей в виде чередующихся светлых и темных полос.
Если бы существовал абсолютно неподвижный и неувлекаемый мировой эфир, то при движении Земли вокруг Солнца существовал бы «эфирный ветер».
В этом случае луч света, движущийся по направлению движения Земли, имел бы меньшую скорость, чем луч света, движущийся в противоположную сторону. Это должно было бы привести к изменению (смещению) интерференционных полос на экране при повороте всей системы относительно направления движения Земли.
Опыт показал, что никакого смещения интерференционных полос при вращении всей установки (при этом плечи I и II менялись местами) не произошло. Таким образом было доказано, что скорость света в движущейся системе постоянна и не зависит от скорости самой движущейся системы.
Наблюдение Де Ситтера за движением двойных звезд также доказало тот факт, что скорость света всегда постоянна.
Из этого сделали вывод, что постоянство скорости света — закон природы, его следует принимать во внимание и строить на нем теорию объективно существующего физического мира.
