Tebūnie šviesa! Elektromagnetizmo teorijai – 150 metų  (6)

Sunku įsivaizduoti gyvenimą be mobiliųjų telefonų, radijo ir televizijos. Tačiau šių technologijų pagrindo – elektromagnetinių bangų – atradimas išaugo iš 150-ies metų senumo abstrakčios teorijos…

Mūsų žinios apie tokių bangų egzistavimą yra tiesioginis Jameso Clerko Maxwello elektromagnetizmo teorijos, pirmą kartą publikuotos 1865 metasi, rezultatas.

Pats elektromagnetizmas pirmiau buvo atrastas praktiškai, o ne teoriškai. Maždaug 1820 m., danų fizikas Hansas Oerstedas pastebėjo, kad įjungus elektros srovę, šalia esantis magnetas – pavyzdžiui, kompaso rodyklė – strykteli, lyg kintanti elektros srovė pati būtų magnetas.

Tada, 1831 m. (tais metais Edinburghe gimė Maxwellas) anglų fizikas ir chemikas Michaelas Faraday'us atrado, kad judinant magnetą per vielos ritę, elektros srovė sukuriama be baterijų ar kitokių elektros šaltinių.

Ši stulbinanti judančio magneto savybė kurti elektrą Faradėjų taip suintrigavo, kad, kad jis sukūrė elektros generatoriaus prototipą. Jis dar sukūrė ir elektros motoro prototipą, bet dar keletą dešimtmečių inžinieriai veikiančių motorų ir generatorių nesukūrė.

Kaip bebūtų, esminės technologijos ėmė plūsti praktiškai iškart po elektromagnetizmo atradimo: o būtent, telegrafas – pirmoji sparti pasaulinė telekomunikacijų sistema.

Elektromagnetizmas veikia… bet kaip?

Be atitinkamo teorinio elektromagnetizmo supratimo buvo sunku spręsti tokias technologines problemas, kaip telegrafo laidų perkaitimas, ar dideliu atstumu siunčiamų signalų išsikraipymas.

Žinoma, teorija vietoje nestovėjo: fizikai išsiaiškino pagrindinius elektros krūvių ir srovių elgsenos aspektus. Jie netgi pradėjo aiškintis sudėtingesnes elektros ir magnetizmo sąveikas.

Bet niekam nebuvo pavykę sukurti atitinkamos teorijos, kuri apjungtų visus šiuos atskirus elektros ir magnetizmo dėsnius į vieną. Tokia teorija ne tik apibendrintų žinomus eksperimentinius rezultatus, bet ir suteiktų naujų įžvalgų, kaip apjungti elektra ir magnetizmas kuria elektromagnetizmą.

Viena iš didžiausių kliūčių buvo tai, kad niekas nenutuokė, kaip elektros ir magnetinės jėgos perduodamos erdve.

Dauguma fiziko manė, kad šios jėgos veikia iškart: laikant magnetą šalia geležinės vinies, atrodo, kad magnetas vinį ima traukti iškart. Nieko nesimato, nesigirdi ir nesijaučia erdvėje tarp magneto ir vinies, taigi atrodė, lyg magnetinė jėga turi veikti „per atstumą”.

Ji kažkaip turi peršokti tiesiogiai nuo magneto prie vinies – visai kaip gravitacija atrodė iškart peršokanti erdvę tarp Saulės ir Žemės.

Niutono gravitacijos dėsnių sėkmė, atrodė, remia šį subjektyvų požiūrį. Pavyzdžiui, norint pademonstruoti, kad gravitacija sukelia planetų judėjimą, tereikėjo Niutono matematinių dėsnių numatomą planetų orbitų formą palyginti su astronomų stebima.

Nėra reikalo žinoti, kaip gravitacija iš tiesų pasiekia planetas nuo Saulės, ar nuo Žemės prie krintančio objekto, nes nėra matematinės būtinybės žinoti, kas vyksta erdvėje tarp dviejų sąveikaujančių kūnų.

Dauguma Niutono mokytinių manė, kad, jog tai reiškia, kad gravitacijos jėga nesklinda erdve ir laiku, bet paprasčiausiai peršoka nuo Saulės prie planetos, nuo objekto prie objekto.

Stiprus matematinis ryšys tarp gravitacijos, elektros ir magnetizmo rėmė nedelsiamo elektromagnetinio nuotolinio veikimo idėją.

Faradėjus nebuvo tuo tikras. Jis buvo savamokslis, tad nesuprato sudėtingos pripažintų fizikų naudojamos matematikos elektros ir magnetizmo nedelsiamo nuotolinio veikimo aprašymui.

Bet kaip vienas iš elektromagnetizmo atradėjų, jis reikalą juto iš vidaus ir tikėjo, kad turi būti kažkoks elektromagnetinis „laukas“, supantis elektrinius ir magnetinius objektus ir padedantis šių jėgų perdavimui.

Šiek tiek matematinės analizės

Maksvelas intuityviai su juo sutiko ir toliau stengėsi rasti tinkamą matematinę kalbą, kuria galėtų vystyti Faradėjaus lauko koncepciją. Integralinis skaičiavimas (labiausiai linijiniai ir paviršiaus integralai, bei baigtinių erdvių tūrio integralai) buvo pagrindiniai nedelsiamo veikimo per atstumą teoretikų įrankiai.

Bet Maksvelas pasirinko kitokią diferencinę analizę (o būtent, dalinio diferenciavimo formules), kaip kalbą, labiausiai tinkamą apibūdinimui to, kas vyksta kiekviename erdvės taške tarp sąveikaujančių objektų.

Viena iš priežasčių, kodėl jis tikėjo, kad kažkas vyksta ir erdvėje, iliustruojama Faradėjaus eksperimentu – geležies dalelės pabertos ant magnetą dengiančio popieriaus. Dalelės pačios susirikiuoja į būdingas magnetą supančias linijas.

Faradėjaus idėja buvo, kad jėga iš magneto privalo veikti popierių – taigi, ir erdvę aplink magnetą – netgi tada, kai nėra jų veikimą rodančių dalelių. Kitaip tariant, magnetas kuria „jėgos lauką, ir būtent dėl viso šio lauko magnetas gali paveikti kiekvieną dalelę.

Maksvelas buvo vienas iš labai nedaugelio fizikų, atkreipusių dėmesį į Faradėjaus lauko idėją. Tai buvo drąsus žingsnis jaunam akademikui remti silpnesnę pusę tokiuose debatuose, bet Maksvelas suprato, kad niekas iš tiesų gerai elektromagnetizmo prigimties ir sklidimo nesuprato.

Šviesos mįslė

Tuo metu buvo nesutariama ir dėl šviesos prigimties. Buvo žinoma, kad šviesa erdve skrieja baigtiniu greičiu, o ne iškart atsiranda iš šaltinio mūsų akyse.

Bet prieš pusantro amžiaus niekas nežinojo, iš ko šviesa sudaryta.

Dauguma fizikų sutarė, kad erdve ji keliauja kaip banga, bet nežinojo, kaip šios šviesos bangos nusigauna iš vienos vietos į kitą. Maksvelas rengėsi visas šias paslaptis išgvildenti.

Diferencijuodamas savo dalines diferencialines lygtis, jis gavo matematines bangos lygtis – o iš matematinių bangos lygčių išplaukė, kad fizinės bangos veikė visą erdvę, o ne tik du duotus taškus.

Kitaip tariant, Maksvelas matematiškai dedukavo, kad elektromagnetiniai signalai perduodami ne iš karto, bet sklinda erdve kaip bangos. Ir ne tik kaip bangos laiduose, tačiau ir kaip bangos, galinčios keliauti per orą.

Bet tai dar ne viskas: šios matematinės bevielės bangos elektromagnetinės bangos skriejo tokiu pačiu greičiu, kaip ir šviesa, nors Maksvelo skaičiavimai rėmėsi vien elektromagnetizmo reiškiniais. Jis tai aprašė sau būdingu kukliu pareiškimu:

[…] panašu, turime rimtą pagrindą daryti išvadą, kad pati šviesa, (o taip pat karščio spinduliavimas ir bet koks kitas spinduliavimas), yra elektromagnetinis sutrikdymas, bangomis plintantis elektromagnetiniu lauku, paklusdamas elektromagnetizmo dėsniams.

Vienu drąsiu žingsniu jis ne tik apjungė elektrą ir magnetizmą, bet ir šviesą, šilumą ir „bet kokį kitą spinduliavimą”.

1888, prabėgus beveik 25 metams nuo Maksvelo teorijos publikavimo, vokiečių fizikui Heinrichui Hertzui pavyko sukurti bevieles elektromagnetines bangas laboratorijoje, taip patvirtinant Maksvelo spėjimą ir sukuriant pirmąsias dirbtinai sukurtas radijo bangas.

Praėjo dar pora dešimtmečių, kol gimė mums pažįstamas radijas, bet Hertzo radijo bangos patvirtino Maksvelo „bet kokio kito spinduliavimo“ egzistavimą. Šis spinduliavimas – ultravioletinis, mikrobangų, radijo, etc – skiriasi tik bangų ilgiu nuo regimos šviesos ar infraraudonojo spinduliavimo, kuriuos galime matyti ar justi tiesiogiai.

Dabar elektromagnetizmas grindžia mūsų gyvenimo būdą ir ir leido mums sukurti daugelį prietaisų, kuriuos laikome duotybe. Jis apšvietė tamsą ir leidžia bendrauti su toli esančiais telefonais, per radiją ir televiziją.

Elektromagnetinėmis bangomis galime „žvilgtelėti“ į kūnus rentgeno bangomis ir magnetinio rezonanso aparatais, teleskopais stebėti visatą, ne tik regimoje spektro dalyje, tačiau ir kitų bangos ilgių ruožuose. Wi-fi yra australiškas išradimas, kilęs iš radioastronomijos tyrimų.

Mūsų supratimas apie apie šviesos elektromagnetinę prigimtį ir visus spinduliavimus buvo dar pagilintas 1905 m., kai Albertas Einšteinas parodė, šviesą turint ne tik banginę, bet ir kvantinę pusę. Visos šios įžvalgos leido sukurti tokias svarbias technologijas, kad JT paskelbė 2015-uosius Tarptautiniais šviesos ir šviesos technologijų metais.

Bet prieš 150 metų Maksvelo teorija buvo revoliucinga tiek savo stiliumi, tiek turiniu. Einšteinas šią teoriją perprato anksti, ir tai padėjo sukurti jo reliatyvumo teoriją, ir dabar gravitacinių ir elektromagnetinių laukų idėja yra fizikos pagrindas.

Nenuostabu, kad Einšteinas sakė: „Viena mokslo era baigėsi ir kita prasidėjo su Jamesu Clerku Maxwellu.”


Aut. teisės: www.technologijos.lt

(37)
(0)
(37)

Komentarai (6)