Сергей Капица. Физика 19 века

Лоренц - ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛАХ

Мы приводим введение к одной из основных работ Лоренца «Опыт построения теории электрических и оптических явлений в движущихся телах» (1895).

ОПЫТ ПОСТРОЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ДВИЖУЩИХСЯ ТЕЛАХ

§ 1. Еще никто не дал вполне удовлетворительного ответа на вопрос: принимает ли эфир участие в движении материальных тел. Для решения этого вопроса в первую очередь следует привлечь аберрацию света и связанные с нею явления; однако до сих пор ни одна из соперничающих теорий – ни теория Френеля, ни теория Стокса – не согласуются полностью со всеми наблюдениями, так что выбор в пользу какого‑то одного воззрения приходится делать, взвешивая и сравнивая трудности, еще остающиеся там и тут. Таким образом я уже давно пришел к убеждению, что точка зрения Френеля, т.е. предположение о неподвижном эфире,– на правильном пути. Что касается точки зрения Стокса, то она вызывает, пожалуй, лишь одно сомнение, а именно его предположения о движении эфира вблизи Земли оказываются противоречивыми[1]; но это сомнение является очень серьезным и я не вижу, как его можно устранить.

Для теории Френеля трудности возникают из известного интерференционного опыта Майкельсона^[2], а также, как полагают некоторые, из опытов, в которых Де Кудр^[3] безуспешно пытался обнаружить влияние движения Землп на индукцию двух контуров тока. Однако результаты американского исследователя можно истолковать, привлекая вспомогательную гипотезу, а то, что получил Де Кудр, совершенно просто объясняется и без помощи такой гипотезы.

Особо следует отметить опыты Физо[4] по вращению плоскости поляризации в стеклянных столбах. На первый взгляд результат решительно противоречит воззрениям Стокса. Однако при дальнейшей разработке теории Френеля не удалось объяснить опыты Физо, и я постепенно пришел к заключению, что их результат вызван ошибками наблюдения или же, по меньшей мере, не соответствует теоретическим соображениям, положенным в основу опытов. Сам Физо в ответ на запрос моего коллеги ван де Занде Бакхейзена любезно разъяснил, что в настоящее время он не считает свои наблюдения окончательными.

В дальнейшем я подробно остановлюсь на затронутых здесь вопросах. Здесь же я хотел бы лишь сказать несколько слов в пользу моего исходного предположения.

Как известно, теорию Френеля можно обосновать с помощью различных соображений. Прежде всего, невозможно заключить эфир между твердыми или жидкими стенками. Насколько мы знаем, безвоздушное пространство влияет на движение материальных тел в механическом отношении так же, как абсолютная пустота. Наблюдая, как ртуть в барометре при наклоне трубки поднимается до самого верха, или как легко раздавливается замкнутая металлическая оболочка, трудно противиться впечатлению о полной проницаемости твердых и жидких тел для эфира. Трудно предположить, что эфир в этих телах подвергается сжатию, не оказывая сопротивления.

Знаменитый интерференционный опыт Физо[5] с текущей водой показывает, что при движении прозрачных  тел их скорость передается находящемуся в них эфиру лишь частично. Этот опыт, позднее повторенный Майкельсоном и Морли[6] в больших масштабах, :не мог бы привести к наблюдаемому эффекту, если бы все  содержимое труб имело бы одну и ту же скорость. Остается неясным лишь вопрос о поведении непрозрачных веществ и весьма протяженных тел.

Следует заметить, что проницаемость тела для эфира можно себе представить двояким образом. Это свойство могло бы отсутствовать у отдельных атомов и проявляться лишь при наличии больших количеств вещества – при условии, что размеры атомов весьма малы по сравнению с расстояниями между ними. Можно также предположить –и эту гипотезу я в дальнейшем возьму за основу,– что весомая материя абсолютно  проницаема и что, в частности, эфир пронизывает также и атом; это, быль бы понятно, если бы атом можно было рассматривать как локальную модификацию эфира.

Я не собираюсь входить в детали подобных спекулятивных рассуждении или высказывать догадки о природе эфира. Мне хотелось бы по возможности воздержаться от предвзятых мнений об этом веществе и не приписывать ему, например, свойства обычных жидкостей и газов. Если окажется, что наилучшее соответствие с явлениями достигается в предположении абсолютной проницаемости, то этим следует в данное время удовлетвориться, надеясь, что дальнейшие исследования смогут привести нас к более глубокому пониманию.

Само собой разумеется, что об абсолютном  покое эфира не может быть и речи; это выражение даже не имеет смысла. Если я ради краткости говорю, что эфир покоится, то это значит, что одна часть этой среды не движется относительно другой и что все видимые движения небесных тел суть движения относительно эфира.

§ 2. С тех пор, как учение Максвелла стало распространяться все шире, вопрос о свойствах эфира приобрел большую важность и для теории электричества. Строго говоря, нельзя сколько‑нибудь основательно проанализировать ни одного опыта, в котором движется заряженное тело или проводник с током, не касаясь покоя или движения эфира. В отношении каждого электрического явления возникает вопрос о влиянии движения Земли; что же касается влияния последнего на оптические явления, то от электромагнитной теории света надо требовать соответствия с уже установленными фактами. Теория аберрации принадлежит именно к тем разделам оптики, которые нельзя трактовать с помощью одних общих принципов волновой теории. Поскольку здесь участвует телескоп, нельзя не применить коэффициента увлечения Френеля для линз, а его значение следует вывести из специальных предположений о природе световых колебаний.

Два года тому назад я показал^[7], что электромагнитная теория света действительно приводит к коэффициенту, принятому Френелем. С тех пор я значительно упростил теорию и распространил ее на явления при отражении и преломлении, а также на двоякопреломляющие тела [8].

Позвольте мне теперь вернуться к существу дела. Чтобы прийти к основным уравнениям для электрических явлений в движущихся телах, я примкнул к точке зрения, которую в последние годы разделяют многие физики; а именно, я предположил, что во всех телах имеются малые электрически заряженные материальные частицы и что все электрические явления обусловлены расположением и движением этих «ионов». Эта точка зрения в отношении электролитов является общепризнанной и единственно возможной; Глизе[9], Шустер[10], Аррениус[11], Эльстер и Гейтель[12] высказывали мнение о том, что электропроводность газов также вызвана перемещением ионов. Мне представляется, что ничто не мешает сделать предположение о том, что молекулы диэлектрических тел также содержат заряженные частицы, привязанные к определенным положениям равновесия и смещающиеся только под действием внешних электрических сил; в этом и заключается «диэлектрическая поляризация» таких тел.

Периодически изменяющаяся поляризация, соответствующая, согласно теории Максвелла, световому лучу, согласно этой точке зрения, сводится к колебанию ионов. Как известно, многие исследователи, находившиеся на позициях старой теории света, рассматривали участие весомой материи в колебаниях как причину дисперсии света. Это объяснение в основном сохраняется и в электромагнитной теории света, при этом ионам нужно только приписать определенную массу. Я показал это в моей старой работе где, однако, я выводил движение частиц из законов дальнодействия, в то время как сейчас я гораздо проще получаю то же из представлений Максвелла. Позже Гельмгольц[13] исходил в своей электромагнитной теории света из той же точки зрения[14].

Гизе[15] применил к различным случаям гипотезу о том, что в металлических проводниках электричество связано с ионами; однако данная им картина явлений в проводниках в одном  пункте существенно отличается от представлений, принятых в отношении проводимости электролитов. В то время как частицы растворенной соли, как бы они ни задерживались молекулами воды, в конце концов могут перемещаться на большие расстояния, ионы в медной проволоке не обладают столь большой способностью к перемещениям. Тем не менее, здесь возможны передвижения на молекулярные расстояния, если предположить, что ион часто передает своп заряд другому иону или что два противоположно заряженных иона при своей встрече или после того, как они «связываются» друг с другом, обмениваются зарядами. Во всяком случае, такие явления должны происходить на границе двух тел, когда ток течет через эту границу. Если, например, из раствора соли на медной пластинке осаждаются и положительно заряженных атомов меди, и если мы считаем, что все это электричество связывается с ионами, то следует принять, что заряды переходят на и атомов в медной пластинке, или что 1/2 и выделяющихся частиц обмениваются зарядами с 1/2 и отрицательно заряженными атомами меди, уже находящимися в электроде.

Таким образом, предположение о переходе ионных зарядов или обмене ими (этот процесс еще весьма неясен) является неизбежным дополнением любой теории, которая предполагает перенос электричества ионами. Поэтому продолжительный электрический ток никогда не является только конвективным. По крайней мере, если расстояние между центрами двух соприкасающихся или связанных друг с другом частиц равно l , то движение электричества на расстояния порядка l  происходит без конвекции; если же это расстояние мало по сравнению с отрезком, на который происходит перемещение зарядов, то в целом существенна только конвекция.

Гизе придерживается мнения, что в металлах истинная конвекция вообще не играет роли. Поскольку ввести в теорию «перепрыгивание» зарядов кажется невозможным, то я вынужден полностью отказаться от рассмотрения этого процесса и представляю себе ток в металлической проволоке как движение заряженных частиц.

Дальнейшее исследование должно решить, сохранятся ли результаты теории при иных предположениях.

§ 3. Теория ионов весьма подходит для моей цели, поскольку она позволяет в уравнениях достаточно удовлетворительным образом учесть проницаемость тел для эфира. Эти уравнения естественно разбиваются на две группы. Во‑первых, следует рассмотреть, как определяется состояние эфира зарядом, положением и движением ионов; затем, во‑вторых, следует задать силы, с которыми эфир действует на заряженные частицы. В моей уже цитированной работе [16] я вывел соответствующие формулы с помощью принципа Даламбера, делая неточные предположения; этот путь имеет много общего с применением уравнений Лагранжа Максвеллом. Теперь же я ради краткости предпочитаю формулировать сами основные уравнения в качестве исходных гипотез.

Уравнения поля в эфире, т.е. в пространстве между ионами, совпадают с известными уравнениями теории Максвелла; в общем случае они показывают, что любое возмущение, вызванное ионом в эфире, распространяется со скоростью света. Но мы считаем, что сила, с которой действует эфир на заряженную частицу, зависит от состояния среды в том месте, где находится частица. Таким образом, принятый нами основной закон существенно отличается от законов, сформулированных Вебером и Клаузиусом. Влияние, испытываемое частицей В  вследствие близости частицы А , хотя и зависит от движения последней, но не от ее движения в тот же момент,  напротив, имеет значение движение частицы А  в более ранний момент, и принятый нами закон удовлетворяет требованию, которое Гаусс поставил перед электродинамической теорией в своем знаменитом письме к Веберу [17] в 1845 г.

Вообще говоря, сделанные мною предположения в некотором смысле возвращают нас к старой теории электричества. Сущность воззрений Максвелла при этом сохраняется, но нельзя отрицать, что введенные в теорию ионы не слишком отличаются от частиц электричества, с которыми оперировали раньше. Это особенно очевидно в некоторых простых случаях. Так, например, вся электростатика принимает прежнюю форму, поскольку мы рассматриваем электрический заряд как скопление положительно или отрицательно заряженных частиц, и наши основные формулы для покоящихся ионов дают закон Кулона.