Природа света

Все, несомненно, знают, что свет — это электромагнитные полны. Однако глубина этого знания может быть очень разной. Надо разобраться в двух обстоятельствах: что такое вообще волны и как они могут быть электромагнитными.

Понятие «волна» привычно каждому. Волны на поверхности жидкости, волна, бегущая по упругому натянутому шнуру,— образы наблюдаемой повседневности. Но очень многие волны увидеть невозможно, например звуковые волны в воздухе, волны сжатия в упругом стержне или в земной коре.

С волной всегда связано некоторое перемещение в пространстве. Первый вопрос — перемещение чего? Обычно при движении в пространстве перемещается вещество: отдельные тела, молекулы, элементарные частицы. Волна — иное дело, это перемещение в пространстве не самого вещества, а его состояния. Кроме того, характер световых волн зависит от того, на что они попадаю. Материалы которым свойственно поглощением спектра, например цветное женское пальто сделанное из крашенной ткани, оказывает на отражение света свое влияние. И оставляет в спектре волны только, допустим, красный цвет. Все это говорит о сложности такого явления, как свет.

Набросаем на поверхность воды в ряд несколько легких щепочек или кусочков пробки, а затем возбудим волны, бросив в воду камень вблизи крайней щепочки. Волна пойдет во все стороны, в том числе и вдоль линии щепочек. А как будут двигаться сами щепочки? Легко обнаружить, если произвести опыт аккуратно (а опыт и аккуратность — понятия неразделимые), что щепочки совершенно не будут смещаться в направлении волны (по горизонтали), а будут только по очереди подниматься и опускаться, смещаясь перпендикулярно направлению самой волны. Получается, что вдоль распространения волны перемещаются не сами щепочки, а их отклонения от равновесия, т. е. некоторые их состояния. В этом и состоит главная особенность любой волны. Волны рассмотренного типа, в которых направление колебаний перпендикулярно направлению волны, называются поперечными.

Иной характер имеют, например, звуковые волны в органной трубе. Вдоль трубы распространяется волна сжатия и разрежения воздуха, причем его частицы колеблются в том же направлении, в каком распространяется волна. Такие волны называются продольными. Понятия о поперечных и продольных волнах нам очень пригодятся в дальнейшем.

Волны в жидкости, в воздухе привычны. А что такое электромагнитные волны?

Вспомним сначала, что такое электромагнитное поле. Это — особая физическая сущность или состояние пространства, окружающего как неподвижные электрические заряды, так и движущиеся (т. е. электрические токи). В первом случае есть только электрическое поле, магнитного нет. Но как только заряды начинают двигаться, так в окружающем пространстве возникает и магнитное поле, а электрическое поле изменяется, так как оно определяется пространственным распределением зарядов, изменяющимся при их движении. Это обстоятельство, позволяет при феноменологическом описании полей обходиться и без понятия зарядов, считая причиной возникновения магнитного поля просто изменение электрического поля. Это утверждение не содержит в себе ничего иного, кроме физического смысла известных эмпирических законов Кулона и Био — Савара. В свою очередь, из закона электромагнитной индукции Фарадея следует, что изменение магнитного поля влечет появление электрического. Эти свойства и позволяют ввести единое понятие электромагнитного поля. Его главной количественной мерой являются векторы напряженности электрического и магнитного полей, определить которые можно, измерив силы, с которыми поле действует на заряды и токи.

Формулировка основных физических понятий об электромагнитном поле принадлежит Фарадею. Строгую математическую теорию электромагнитного поля создал Максвелл. Суть этой теории наиболее полно и в то же вре мя наиболее сжато можно выразить с помощью математического аппарата векторного анализа, более громоздко — в координатной форме с помощью уравнений в частных производных. Суть физических результатов теории Максвелла сводится к следующему.

Электромагнитная волна представляет собой периодическое изменение в пространстве и времени электрического и магнитного полей, распространяющееся во все стороны от той области пространства, где возникают электромагнитные колебания, т. е. изменения полей в данной точке с течением времени. При распространении в пространстве волна несет поток электромагнитной энергии, тем больший, чем больше напряженности полей.