Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: The Forces of Light: Electricity and Magnetism

Силы света: Электричество и Магнетизм.

В 19м веке, физическое понимание природы света изменилось полностью.

Эксперименты начали показывать убедительные примеры, где свет вел себя как волны вместо частиц, что противоречило Ньютону (см. “Оптика: Проливание света на свойства света” более подробный раздел о результатах Ньютона).

В то же время, эксперименты над электричеством и магнетизмом начали показывать, что эти силы вели себя как свет, за исключением того, что мы не могли видеть их!

К концу 19го века, стало ясно, что электричество и магнетизм были разными проявлениями одной и той же силы: электромагнетизм.

Одной из целей теории струн это разработать единую теорию, которая объединяет и электромагнетизм и гравитацию.

Свет как волна: теория эфира.

Ньютон трактовал свет, будто бы это частицы, но эксперименты в 19м веке начали показывать, что свет ведет себя как волна.

Главная проблема была в том, что волнам нужен посредник.

Что-то должно создавать волнение.

Было похоже, что свет, распространяется через пустое пространство, которое вообще не содержало какого-либо вещества.

Что же это за посредник, который свет использовал для передвижения?

Что колыхалось?

Для объяснения проблемы, физики предположили, что пространство заполнено некой субстанцией.

Когда искали название этой гипотетической субстанции, они вернулись к Аристотелю и назвали ее световым эфиром.

(Некоторые физики продолжали толковать ее как квинтэссенцию (aether), но я называю ее эфиром (ether), чтобы отличить от пятого элемента Аристотеля.)

Даже с этим гипотетическим эфиром, все равно, были проблемы.

Ньютоновская оптика все еще работала, и его теория описывала свет в терминах крошечных шариков движущихся по прямым линиям, а не как волны!

Казалось, что иногда свет ведет себя как волна, а иногда как частица.

Большинство физиков 19го века верили в волновую теорию, в основном потому, что изучение электричества и магнетизма помогало поддержать идею того, что свет это волна, но они были не способны найти убедительное свидетельство эфира.

Невидимые линии силы: Электрические и магнитные поля

Электричество это изучение того, как заряженные частицы оказывают воздействие друг на друга.

А магнетизм - это изучение того, как намагниченные объекты оказывают влияние друг на друга.

В 19м веке, исследование начало показывать, что эти два казалось бы отдельных феномена были, на самом деле, разными аспектами одного и того же.

Физик Майкл Фарадей предположил, что невидимые поля передают силу.

Электричество и магнетизм связаны воедино.

Электрическая сила действует между двумя объектами, которые имеют свойство, которое называется электрическим зарядом, и которое может быть либо положительным либо отрицательным.

Положительные заряды отталкивают другие положительные заряды, а отрицательные заряды отталкивают отрицательные заряды, но положительные и отрицательные заряды притягивают один одного, как показано на рисунке 5-4.

Закон Кулона, которые описывает найпростейшее поведение электрической силы между заряженными частицам (поля называется электростатическим), это закон обратных квадратов, аналогичный закону гравитации Ньютона.

Это послужило одним из первых намеков на то, что гравитация и электростатическая силы (и, в конечном счете, электромагнетизм) могут иметь что-то общее.

Рисунок 5-4: одноименные отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Когда электрический заряд движется, это порождает электрический ток.

Эти токи могут влиять друг на друга посредством магнитной силы.

Это было открыто Хансом Кристианом Э́рстедом, тем, кто обнаружил, что электрический ток, циркулирующий по проводу, может отклонить стрелку компаса.

Более поздняя работа Майкла Фарадея и других показала, что это также работало и наоборот - магнитная сила может влиять на электрический ток.

Как показано на рисунке 5-5, перемещение магнита к проводящему витку провода порождает ток, который проходит через провод.

Рисунок 5-5: Магнит, который перемещается к металлическому кольцу, порождает ток в кольце.

Фарадей предлагает силовые поля, для объяснения этих сил.

В 1840х, Майкл Фарадей выдвинул идею о том, что невидимые линии силы были вовлечены в работу электрического тока и магнетизма.

Эти гипотетические линии составляли силовое поле, которое имело определенное значение и направление в любой данной точке и могли быть использованы для вычисления полной силы действующей на частицу в этой точке.

Эта идея была быстро приспособлена и применена к гравитации в форме гравитационного поля.

Эти невидимые линии силы были ответственены за электрическую силу (как показано на рисунке 5-6) и магнитную силу (как показано на рисунке 5-7)

Они и привели к электрическим и магнитным полям, которые могут быть измерены.

Рисунок 5-6: Положительные и отрицательные заряды соединены невидимыми линиями силы.

Рисунок 5-7: Северный и южный полюс стержневого магнита соединены невидимыми линиями силы.

Фарадей предложил невидимые линии силы, но совсем не было ясно, как сила передается, что и было поводом для насмешки от его коллег.

Однако имейте ввиду, что Ньютон также не смог полностью объяснить то, как гравитация передается, так что был уже прецедент.

Действие на расстояние было уже заложено в физику, и Фарадей, по крайней мере, предлагал физическую модель того, как это могло происходить.

Поля, предложенные Фарадеем, оказалось имеют применения помимо электричества и магнетизма.

Гравитация также могла быть описана в форме поля.

Выгода силового поля в том, что каждая точка в пространстве имеет значение и направление, которое связанное с ней.

Если вы можете посчитать значение поля в какой-то точке, то вы можете точно узнать как сила будет действовать на объект помещенный в эту точку.

Сегодня, каждый закон физики может быть описан в форме полей.

Уравнения Максвелла сводят все воедино: Электромагнитные волны.

Физики сейчас знают, что электричество и магнетизм это два аспекта одной электромагнитной силы.

Эта сила распространяется в форме электромагнитных волн.

Мы видим определенный диапазон электромагнитной энергии в форме видимого света, но есть и другие формы, такие как рентгеновские лучи и микроволновое излучение, которые мы не видим.

В середине 1800х, Джеймс Клерк Максвелл взял работу Фарадея и других и создал набор уравнений, известных как уравнения Максвелла, которые описывали силы электричества и магнетизма в терминах электромагнитных волн.

Электромагнитная волна показана на рисунке 5-8.

Рисунок 5-8: Электрическое поле и магнитное поле в электромагнитной волне.

Уравнения Максвелла позволили ему вычислить точную скорость распространения электромагнитной волны.

Когда Максвелл выполнил это вычисление, он был поражен, обнаружив, что узнал это значение.

Электромагнитные волны распространялись с точно такой же скоростью, как и свет.

Уравнения Максвелла показали, что видимый свет и электромагнитные волны это разные проявления того же, лежащего в основе, явления.

Другими словами, мы видим только маленький диапазон от всего спектра электромагнитных волн, который существует во вселенной.

Расширение этого объединения для включения всех сил природы, включая гравитацию, в конце концов привели бы к теориям квантовой гравитации, такой как теория струн.

Два темных пятна и рождение современной физики.

Два важных и не отвеченных вопроса в электромагнитной теории все еще оставалось.

Первая проблема была в том, что эфир не был обнаружен, в то время как вторая включала в себя непонятную проблему об энергии излучения, называемую проблемой черного тела (описано в главе 7).

Что поражает, оглядываясь назад, это то, что физики не видели эти проблемы (или темные пятна, как назвал их в своей речи 1900 го года британский ученый Лорд Кельвин) как нечто существенное, и вместо этого, считали, что они были незначительными проблемами, которые будут скоро решены.

Как вы увидите в главах 6 и 7, решение этих двух проблем представит великие революции современной физики — теория относительности и квантовая физика.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145358

Переводчики: Swarlz, Irina73