продолжение статьи А. Пуанкаре
* * *
-121-
Электрические возбудители.
Посмотрим сначала, как можно получить эти токи при помощи прибора, который есть ничто иное, как электрический маятник. Положим, что у нас имеется два тела из проводящего материала, соединенных проводом. Если их потенциалы не одинаковы, то электрическое равновесие нарушится совершенно такими же образом, каким нарушается механическое равновесие, когда маятник выведен из вертикального положения. Как в первом, так и во втором случаях равновесие стремится восстановиться. В соединительной проволоке образуется ток, стремящийся уравнять потенциалы проводников, совершенно подобно тому, как маятник возвращается к вертикальному положению.
Но маятники не остановится в положении равновесия: приобретя некоторую скорость, благодаря инерции, он перейдет за положение равновесия. Точно также, когда наши проводящие тела разрядятся, статическое равновесие, устанавливающееся в известное мгновение, не продлится, но будет тотчас же нарушено причиной, подобной инерции: эта причина есть самоиндукция. Известно, что при прекращении тока, в соседних проводах появляется индукционный ток того же направления, что и прекращающийся. То же самое происходит и в самом проводе, по которому проходит индуктирующий ток, и он, так сказать, продолжается индукционным. Другими словами, ток продолжится и после уничтожения причины, вызвавшей его, совершенно подобно тому, как движущееся тело не остановится, когда сила, приведшая его и движение, прекратит действие.
Поэтому когда оба потенциала уравняются, ток продолжит проходить в прежнем направлении и создаст на двух проводящих телах заряды, противоположные тем, которые они имели раньше
В этом случае, как и в случае с маятником, положение равновесия будет перейдено, и чтобы прийти к нему, нужно вернуться назад. Когда равновесие будет снова достигнуто, та же причина вновь его нарушит, и колебания будут безостановочно продолжаться.
Расчеты показывают, что период зависит от ёмкости проводящих тел. Следовательно, достаточно уменьшить эту ёмкость (что несложно), чтобы получить электрический маятник, способный давать токи с весьма большим числом периодов в секунду.
Все это было хорошо известно из теории лорда Кельвина (Уильяма Томсона) и из опытов Федерсена над колебательными разрядами лейденской банки. Следовательно, оригинальность идеи Герца состоит не в этом.
Маятник надо не только построить, но еще и привести его в движение. Для этого какая -то причина должна вывела его из положения равновесия, а затем внезапно перестать действовать, т.е. в течение промежутка времени, весьма короткого сравнительно с продолжительностью периода. Без этого маятник не будет раскачиваться.
Если, например, отвести рукой маятник от вертикали, а затем, вместо того чтобы резко отпустить его, позволить руке медленно расслабиться, не разжимая пальцев, то все еще поддерживаемый маятник придет к своему положению равновесия, не приобретя никакой скорости и не перейдет через это положение.
Поэтому можно предположить, что с периодами в одну стомиллионную долю секунды никакая механическая система запуска не сможет работать, какой бы быстрой она ни казалась нам по отношению к привычным единицам времени.
-122-
Вот как решил эту задачу Герц.
Возьмем наш электрический маятник и сделаем разрез в несколько миллиметров шириной в проводе, соединяющем два проводящих тела. Этот разрез разделит нам прибор на две симметричных половины, которые мы соединим с двумя зажимами катушки Румкорфа. Индукционный ток этой катушки будет заряжать наши проводящие тела, и разность их потенциалов будет расти сравнительно медленно. Сначала разрыв будет препятствовать проводящим телам разрядиться; воздух между разрезанными концами провода действует как изолятор и удерживает наш маятник выведенным из положения равновесия.
Но когда разность потенциалов станет достаточно велика, появится искра и откроет путь электричеству, накопленному на проводящих телах.
Разрыв внезапно перестанет изолировать, и при помощи этого «электрического спускового механизма» маятник будет освобожден от причины, которая мешала ему вернуться к равновесию. Если выполнены некоторые, довольно однако сложные, условия, хорошо изученным Герцем, то освобождение будет происходить достаточно быстро для того, чтобы установились колебания.
Описанный прибор, называемый
возбудителем, дает токи, изменяющие свое направление от ста миллионов до миллиарда раз в секунду.
Благодаря такой экстремальной частоте, эти токи могут производить индуктивные действия на значительном расстоянии. Чтобы обнаружить эти действия, пользуются вторым электрическим маятником, называемым резонатором. В этом втором маятнике нет разреза посередине провода и индукционной катушки, служащих только для запуска. Оба проводящих уменьшены до двух очень маленьких шариков, а проволока согнута по кругу так, чтобы сблизить эти два шарика.
Индукция, вызванная возбудителем, заставит этот резонатор вибрировать тем легче, чем меньше отличаются периоды колебаний возбудителя и резонатора. При определенных фазах колебательного движения разность потенциалов двух шариков будет настолько велика , что между ними появятся искры.
Получение интерференции.
Таким образом получают прибор, обнаруживающий действия индукционной волны, вышедшей из возбудителя. Изучать эти действия можно двумя способами: либо подвергать резонатор действию индукции возбудителя на большом расстоянии, либо заставлять эту индукцию действовать на небольшом расстоянии на длинный проводник, вдоль которому пойдёт электрическая волна и которая в свою очередь будет действовать на резонатор индукцией на небольшом расстоянии.
Будет ли волна распространяться вдоль провода или через воздух, при помощи отражения можно получить явление интерференции.
В первом случае волна отразится от конца проводника и пойдет по нему в обратном направлении.
Во втором волна может быть отражена от металлического листа, действующего как зеркало. В обоих случаях отраженная волна будет интерферировать с прямой, и будут существовать места, в которых искра в резонаторе будет погасать.
Эксперименты с длинным проводом проще, они дают нам много ценной информации, но они не могут служить
ехреriтeпtum crисis, так как и по старой и по новой теории скорость распространения электрической волны по проводу должна равняться скорости света.
Эксперименты по прямой индукции на больших расстояниях, напротив, являются решающими. Они показывают, что скорость распространения индукции через воздух не только конечна, но и равна скорости волны, распространяющейся вдоль провода, что согласуется с теорией Максвелла.
-123-
Синтез света.
Я не буду долго останавливаться на других опытах Герца, более блестящих, но менее убедительных. Концентрируя при помощи параболического зеркала индукционную волну, вышедшую из вибратора, германский ученый получает настоящий пучок лучей электрических сил, правильно отражающихся и преломляющихся. Если бы период колебаний этих лучей, и без того столь малый, был в миллион раз короче, лучи не отличались бы от лучей света.
Известно, что Солнце посылает нам несколько различных излучений: одни световые, так как они действуют на сетчатую оболочку глаза, другие темные - ультрафиолетовые или инфракрасные, которые проявляются химическими или тепловыми действиями.
Первые обязаны тем, что они нам кажутся как бы другого рода, только, так сказать, физиологической случайностью. Для физика луч инфракрасный отличается от луча красного ничуть не больше, чем этот последний от зеленого - его длина волны больше. Длина волн герцевских лучей еще больше, но тут только разница в величине, и можно сказать, что, если идея Максвелла верна, то прославленный профессор из Бонна достиг истинного синтеза света.
Выводы.
Однако наше восхищение столькими неожиданными успехами не должно заставить нас забыть о прогрессе, которого еще только предстоит достичь. Поэтому давайте попробуем выяснить точно установленные результаты.
Во-первых, скорость индукции в воздухе конечна, без этого интерференция была бы невозможна Следовательно, прежняя электродинамика не верна.
Можно ли заменить её доктриной Максвелла (или по крайней мере доктриной, близкой к ней, поскольку
нельзя требовать от одного ученого, чтобы он отгадал истину во всех её деталях)?
Мы можем измерить длину волны герцевских колебаний; эта длина равна произведению периода колебаний на скорость их распространения. Мы знали бы эту скорость, если бы знали период; но период настолько мал, что мы не можем его измерить: мы можем только вычислить его по формуле лорда Кельвина. Этот расчет приводит к цифрам, которые согласуются с теорией Максвелла; но последние сомнения будут развеяны только тогда, когда скорость распространения будет непосредственно измерена.
Мало того, все далеко не так просто, как может показаться из этого короткого рассказа. Их осложняют различные обстоятельства.
Прежде всего, вокруг возбудителя возникает настоящее индукционное излучение: энергия этого аппарата излучается наружу, и, поскольку нет источника, питающего ее, она не успевает рассеяться, и колебания быстро затухают. Именно здесь мы должны искать объяснение феномену множественного резонанса, который был открыт господами Сарасином и де ла Ривом и который поначалу казался непримиримым с теорией.
С другой стороны, известно, что свет не совсем точно следует законам геометрической оптики, и отклонение, которое приводит к дифракции, тем более значительно, чем больше длина волны. При большой длине герцевских колебаний эти явления должны приобретать огромное значение и нарушать все.
-124-
К счастью,
на данный момент наши средства наблюдения грубы, иначе простота, которая соблазняет нас с первого взгляда, заменилась бы путаницей, в которой мы не могли бы разобраться.Возможно, это и есть причина различных аномалий, которые мы до сих пор не смогли объяснить. Именно по этой причине эксперименты по преломлению лучей электрической силы имеют, как я уже говорил, небольшую познавательную ценность.
Остается еще одна трудность, более серьезная, но, конечно, преодолимая. Согласно Максвеллу, коэффициент электростатической индукции прозрачного тела должен быть равен квадрату его показателя преломления, но это не наблюдается, и тела, следующие закону Максвелла, являются исключениями. Очевидно, наблюдаемые нами явления гораздо более сложны, чем это думали раньше; но мы пока не смогли ничего разгадать, а сами эксперименты противоречивы.
Многое еще предстоит сделать. Идентичность света и электричества теперь больше, чем привлекательная гипотеза:
это весьма вероятная гипотеза, но всё еще не истина, уже доказанная Мы можем измерить длину волны герцевских колебаний; эта длина равна произведению периода колебания на скорость его распространения. Мы знали бы эту скорость, если бы знали продолжительность периода; но она настолько мала, что мы не можем его измерить: мы можем только вычислить его по формуле лорда Кельвина. Этот расчет даёт цифры, согласующиеся с теорией Максвелла, но последние сомнения исчезнут только тогда, когда скорость распространения будет непосредственно измерена*.
Это сделал при помощи весьма остроумного приспособления М. Блондло, которому удалось непосредственно измерить скорость возмущения, распространяющегося вдоль по проводу. Полученное число мало отличается от отношения единиц, т. е. от скорости света, равной 300.000 километров в секунду. Так как опыты с интерференцией, сделанные гг. Саразеном и де-ла-Ривом в Женеве, показали, что индукция распространяется по воздуху с такой же скоростью, как и электрическая пертурбация, распространяющаяся по проводу из проводящего вещества, то мы должны заключить, что скорость индукции равняется скорости света, что подтверждает идея Максвелла.
Физо в свое время нашел для скорости электричества число гораздо меньшее, именно, около 180.000 километров в секунду. Тут нет никакого противоречия, так, как наблюдавшиеся в обоих случаях явления были совершенно различны. Токи, которыми пользовался Физо, были прерывистыми, но малым числом периодов в секунду: они проникали до оси проволоки. Токи Блондло, переменного направления с очень коротким периодом, оставались поверхностными и проходили по тонкому внешнему слою, не более одной сотой миллиметра толщиной. Ясно, что законы распространения не будут одни и те же в этих двух случаях.
_____________________________________
* Выдержка из ежегодника за 1894 год, опубликованного Бюро долгот.
-125-
Из предыдущего короткого очерка можно было бы заключить, что тут все происходит очень просто. На самом деле это не так. Многие обстоятельства значительно усложняют явления.
Прежде всего, вокруг возбудителя возникает настоящее индукционное излучение: энергия этого аппарата излучается наружу, и, поскольку нет источника, пополняющего ее, она успевает рассеяться, и колебания быстро затухают. Именно здесь мы должны искать объяснение феномену множественного резонанса, который был открыт господами Сарасином и де–ла-Ривом и который поначалу казался необъяснимым теорией Максвелла.
Также известно, что свет не совсем точно следует законам геометрической оптики, и отклонение, которое приводит к дифракции, тем более значительно, чем больше длина волны. При большой длинах волн герцевских колебаний эти явления должны приобретать огромное значение и нарушать все.
Примечание
Выше я старался при помощи сравнения объяснить электростатическое притяжение и явление индукции. Давайте теперь рассмотрим представление Максвелла о причине, производящей взаимное притяжение токов.
Тогда как по нашему сравнению электрическое притяжение происходит от напряжения множества маленьких пружин, или, другими словами, вследствие упругости эфира, по Максвеллу явления индукции и электродинамические действия порождаются кинетической энергией и инерцией этой жидкости.
Полный расчет слишком длинен, чтобы, и я на этот раз ограничусь сравнением с хорошо известным устройством - центробежным регулятором.
Киннетическая энергия этого устройства пропорциональна квадрату угловой скорости вращения и квадрату расстояния между шариками.
Согласно гипотезе Максвелла, эфир приходит в движение, как только возникают гальванические (вольтовы) токи, и его живая сила пропорциональна квадрату силы этих токов, что, таким образом, соответствует, в нашей аналогии, угловой скорости вращения регулятора.
Если рассматривать два тока одинакового направления, то эта кинетическая энергия при равной силе токов будет тем больше, чем ближе друг к другу эти токи; если же токи противоположного направления, то она будет тем больше, чем дальше они друг от друга.
Заметив это, будем продолжать наше сравнение.
Чтобы увеличить угловую скорость регулятора, а следовательно, и его кинетическую энергию, необходимо совершить некоторую работу для преодоления некоторого сопротивления, называемого инерцией регулятора.
Таким же образом, увеличение интенсивности токов означает увеличение живой силы эфира; и, чтобы это сделать, нужно затратить некоторую роботу и преодолеть сопротивление, которое есть ничто иное, как инерция эфира и которое называют, индукция
Кинетическая энергия будет больше, если токи направлены в одну сторону и расположены близко друг к другу; поэтому совершаемая работа и противодействующая электродвижущая сила индукции будут больше. На обычном языке это выражают, говоря, что взаимная индукция двух токов добавляется к их самоиндукции. Если направления токов обратно, то и явление будет обратное.
Если раздвинуть шарики регулятора, то для поддержания угловой скорости необходимо затратить работу, поскольку при равной угловой скорости кинетическая энергия тем больше, чем больше раздвинуты шары.
Если же сближать два тока одинаковое направление, то для поддержания прежней силы токов придется совершать работу, так как кинетическая энергия увеличивается. Поэтому нам придется преодолеть электродвижущую силу индукции, которая будет стремиться уменьшить силу токов.
Напротив, сила индукции будет стремиться увеличить силу токов, если удалять друг от друга токи одного направления, или если сближать токи, направленные обратно.
Наконец, центробежная сила стремится оттолкнуть шары друг от друга, что приведет к увеличению кинетической энергии, если угловая скорость останется постоянной.
Аналогично, когда токи идут в одном направлении, они притягиваются друг к другу, т.е. стремятся сблизиться, что увеличит живую силу при сохранении постоянной силе токов.
Если токи направлены противоположно, они взаимно отталкиваются и стремятся удалиться друг от друга, что опять-таки увеличивает кинетическую энергию при неизменности силы токов.
Таким образом электростатические явления будут обусловлены упругостью эфира, а явления электродинамические – его кинетической энергией.
Итак, должна ли эта упругость объясняться, как считает лорд Кельвин, вращением очень маленьких частей жидкости? Различные причины могут сделать эту гипотезу привлекательной, но она не играет существенной роли в теории Максвелла, которая не зависит от нее.
-126-
Аналогичным образом я провел сравнение с различными механизмами. Но это всего лишь сравнения, причем довольно грубые. Действительно, в книге Максвелла не следует искать полного механического объяснения электрических явлений, а только изложение условий, которым должно удовлетворять любое объяснение. И именно то обстоятельство, что труд Максвелла независим ни от каких частных объяснений, и сделает, вероятно, этот труд долговечным.
___________________________
Так ВРЕМЯ всё и вся расставляет по своим местам.