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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Elektromagnetische Lichttheorie. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen "In meiner Zeit Newton war überzeugt, dass Licht aus kleinsten Teilchen besteht, deren Bewegungsgeschwindigkeit nahezu unendlich ist, - so T. Regge im Hintergrund der Ausgabe. - Sein Zeitgenosse Huygens, im Gegenteil, war ein Befürworter des Wellenmechanismus der Lichtausbreitung, ähnlich dem Prozess der Schallausbreitung in der Luft oder in jedem materiellen Medium. Die unbestreitbare Autorität von Newton ließ die Anerkennung der Hypothese von Huygens nicht zu. Im Jahr 1700 begannen Jung, Fresnel und einige andere Wissenschaftler, optische Phänomene zu untersuchen, die aus der Sicht von Newtons Ideen unverständlich waren. Diese Phänomene deuteten direkt auf die Wellennatur des Lichts hin. Zu diesen Phänomenen gehörten paradoxerweise die Newtonschen Ringe, die Fotografen gut bekannt sind und entstehen, wenn Dias zwischen Glasplatten gelegt werden. Die helle Färbung einiger Insekten entsteht auch als Ergebnis komplexer Prozesse der Lichtwelleninterferenz, die in dünnen Schichten von Flüssigkristallen auftreten, die sich auf der Oberfläche des Insektenkörpers befinden. Doch trotz der offensichtlichen Erfolge der wellenmechanischen Lichttheorie in der zweiten Hälfte des XNUMX. Jahrhunderts wurde sie aus zwei Gründen in Frage gestellt. Eine davon sind Erfahrungen Faradayder die Wirkung eines Magnetfeldes auf Licht entdeckte. Das andere ist die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen elektrischen und magnetischen Phänomenen, die von durchgeführt wurde Maxwell. „Die Entdeckung der elektromagnetischen Natur des Lichts ist ein großartiges Beispiel für die Dialektik der Entwicklung von Inhalt und Form“, schreibt P. S. Kudryavtsev. „Der neue Inhalt – elektromagnetische Wellen – wurde in der alten Form kartesischer Wirbel ausgedrückt.“ Die Diskrepanz zwischen den durch die Entwicklung des Elektromagnetismus entstandenen neuen Inhalten, nicht nur der alten Form der Theorie der Fernwirkung, sondern auch der mechanischen Theorie des Äthers, spürte schon Faraday, der nach einer suchte neue Form, um diesen Inhalt auszudrücken. Eine solche Form sah er in den Kraftlinien, die nicht statisch, sondern dynamisch betrachtet werden sollten. Der Entwicklung dieses Gedankens sind seine Werke „Gedanken über Strahlenschwingungen“ (1846) und „Über die physikalischen Linien der Magnetkraft“ (1851) gewidmet. Die Entdeckung des Zusammenhangs von Magnetismus und Licht durch Faraday im Jahre 1845 war ein neuer Inhalt in der Lichtlehre und wies zugleich noch einmal auf die streng transversale Natur der Lichtschwingungen hin. All dies passte nicht gut in die alte Form des mechanischen Äthers." Faraday vertritt die Idee von Kraftlinien, in denen Querschwingungen auftreten. .) als Grundlage der Strahlung genommen werden und die damit verbundenen Phänomene auftreten die Kraftlinien, die die Teilchen und folglich die Massen der Materie zu einem Ganzen verbinden. Diese Idee wird uns, wenn sie zugelassen wird, vom Äther befreien, der aus anderer Sicht das Medium ist, in dem diese Schwingungen stattfinden. Der Wissenschaftler weist darauf hin, dass es sich bei den in den Kraftlinien auftretenden Schwingungen nicht um einen mechanischen Vorgang, sondern um eine neue Bewegungsform, „eine gewisse höhere Art von Schwingung“ handele. Solche Schwankungen sind transversal und können daher "die wunderbaren vielfältigen Phänomene der Polarisation erklären". Sie sind nicht wie longitudinale Schallwellen in Flüssigkeiten und Gasen. Seine Theorie, sagt er, "versucht, den Äther zu eliminieren, aber nicht die Schwingungen." Diese magnetischen Schwingungen breiten sich mit endlicher Geschwindigkeit aus: „... Das Auftreten einer Änderung an einem Ende der Kraft deutet auf eine nachfolgende Änderung am anderen hin. Die Ausbreitung des Lichts und damit wahrscheinlich aller Strahlungsvorgänge braucht Zeit, und damit die Oszillation der Linien Kraft zur Erklärung der Strahlungsphänomene ist es notwendig, dass eine solche Schwingung auch Zeit braucht". Die Suche nach einer neuen Form führte den Wissenschaftler zur Bildung einer wichtigen Idee transversaler magnetischer Schwingungen, die sich wie Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Aber das ist die zentrale Idee der elektromagnetischen Lichttheorie – eine Idee, die bereits 1832 entstand. Maxwell bemerkte in einer Notiz an W. Bragg: „Die von ihm (Faraday) in „Thoughts on Radial Vibrations“ (Mai 1846) oder „Experimental Investigations“ vorgeschlagene elektromagnetische Theorie des Lichts ist im Wesentlichen die gleiche, die ich hier zu entwickeln begonnen habe Artikel ("Dynamische Feldtheorie" (Mai 1865), außer dass es 1846 keine Daten zur Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit gab." Eine solche Anerkennung schmälert jedoch nicht die Verdienste um das Studium des elektromagnetischen Feldes durch James Maxwell. James Maxwell (1831–1879) wurde in Edinburgh geboren. Kurz nach der Geburt des Jungen brachten ihn seine Eltern auf ihr Anwesen Glenlar. Zuerst wurden Lehrer ins Haus eingeladen. Dann wurde beschlossen, James auf eine neue Schule zu schicken, die den lauten Namen Edinburgh Academy trug. Maxwell war einer der ersten, der die Akademie abschloss, und die Türen der Edinburgh University öffneten sich vor ihm. Als Student führte Maxwell ernsthafte Forschungen zur Elastizitätstheorie durch, die von Fachleuten sehr geschätzt wurden. Und nun stand er vor der Frage nach der Perspektive seines weiteren Studiums in Cambridge. Der Umfang von Maxwells Wissen, die Kraft seines Intellekts und seine Unabhängigkeit des Denkens ermöglichten es ihm, bei seiner Freilassung einen hohen Platz zu erreichen. Er belegte den zweiten Platz. Der junge Junggeselle blieb als Lehrer am Cambridge-Trinity College. Allerdings machten ihm wissenschaftliche Probleme Sorgen. Neben seiner alten Leidenschaft – der Geometrie und dem Problem der Farben, mit denen er sich bereits 1852 zu beschäftigen begann – interessierte sich Maxwell für Elektrizität. Am 20. Februar 1854 informiert Maxwell Thomson über seine Absicht, „die Elektrizität anzugreifen“. Das Ergebnis des „Angriffs“ ist der Aufsatz „On Faraday's Lines of Force“ – das erste von Maxwells drei Hauptwerken, die sich der Erforschung des elektromagnetischen Feldes widmen. Das Wort „Feld“ tauchte erstmals im selben Brief an Thomson auf, aber Maxwell verwendet es weder in diesem noch in einem späteren Werk über Kraftlinien. Dieses Konzept taucht erst 1864 in der Arbeit „Dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes“ wieder auf. Er veröffentlicht zwei Hauptwerke über die von ihm geschaffene elektromagnetische Feldtheorie: „On Physical Lines of Force“ (1861-1862) und „Dynamical Theory of the Electromagnetic Field“ (1864-1865). In zehn Jahren hat sich Maxwell zu einem prominenten Wissenschaftler entwickelt, dem Schöpfer der fundamentalen Theorie elektromagnetischer Phänomene, die zusammen mit Mechanik, Thermodynamik und statistischer Physik zu einer der Grundlagen der klassischen theoretischen Physik geworden ist. "Treatise on Electricity and Magnetism" - das Hauptwerk von Maxwell und der Höhepunkt seines wissenschaftlichen Schaffens. Darin fasste er die Ergebnisse langjähriger Arbeiten zum Elektromagnetismus zusammen, die bereits Anfang 1854 begannen. Das Vorwort zur „Abhandlung“ ist auf den 1. Februar 1873 datiert. Neunzehn Jahre hat Maxwell an seinem grundlegenden Werk gearbeitet! Maxwells Forschungen führten ihn zu dem Schluss, dass es in der Natur elektromagnetische Wellen geben muss, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit im luftleeren Raum der Lichtgeschwindigkeit entspricht – 300 Kilometer pro Sekunde. Nachdem das elektromagnetische Feld entstanden ist, breitet es sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus und nimmt ein immer größeres Volumen ein. Maxwell argumentierte, dass die Lichtwellen von der gleichen Natur sind wie die Wellen, die um einen Draht herum entstehen, in dem ein elektrischer Wechselstrom fließt. Sie unterscheiden sich nur in der Länge. Sehr kurzwelliges Licht ist sichtbares Licht. „Maxwells Annahme, dass Änderungen im elektrischen Feld die Entstehung eines magnetischen Induktionsflusses zur Folge haben, war der nächste Schritt nach vorne“, schreibt A. A. Korobko-Stefanov. „Somit erzeugt das resultierende elektrische Wechselfeld um das Magnetfeld herum wiederum ein alternierendes a magnetisches Feld, das ein elektrisches Feld umschließt, das wiederum ein elektrisches Feld anregt usw. Sich schnell ändernde elektrische und magnetische Felder, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, bilden ein elektromagnetisches Feld. Ein elektromagnetisches Feld breitet sich im Raum von Punkt zu Punkt aus und erzeugt elektromagnetische Wellen. Das elektromagnetische Feld an jedem Punkt wird durch die Stärke der elektrischen und magnetischen Felder charakterisiert. Die Intensität der elektrischen und magnetischen Felder sind Vektorgrößen, da sie nicht nur durch die Größe, sondern auch durch die Richtung gekennzeichnet sind. Die Feldstärkevektoren stehen zueinander senkrecht und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Daher ist die elektromagnetische Welle transversal. Aus Maxwells Theorie folgte, dass elektromagnetische Wellen entstehen, wenn Änderungen in der Stärke der elektrischen und magnetischen Felder sehr schnell erfolgen. Die Gültigkeit von Maxwells Ideen wurde experimentell bewiesen Heinrich Hertz. In den achtziger Jahren des neunzehnten Jahrhunderts begann Hertz, elektromagnetische Phänomene zu untersuchen, und arbeitete in einem 14 Meter langen und 12 Meter breiten Auditorium. Er fand heraus, dass, wenn der Abstand des Empfängers vom Vibrator weniger als einen Meter beträgt, die Art der Verteilung der elektrischen Kraft dem Feld des Dipols ähnlich ist und umgekehrt mit der dritten Potenz des Abstands abnimmt. Bei Entfernungen von mehr als 3 Metern nimmt das Feld jedoch viel langsamer ab und ist in verschiedenen Richtungen nicht gleich. In Richtung der Achse des Vibrators nimmt die Wirkung viel schneller ab als in Richtung senkrecht zur Achse und ist in einer Entfernung von 4 Metern kaum wahrnehmbar, während sie in der senkrechten Richtung Entfernungen von mehr als 12 Metern erreicht. Dieses Ergebnis widerspricht allen Gesetzen der Long-Range-Theorie. Hertz forschte weiter in der Wellenzone seines Vibrators, dessen Feld er später theoretisch berechnete. In einer Reihe nachfolgender Arbeiten bewies Hertz unwiderlegbar die Existenz elektromagnetischer Wellen, die sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreiten. „Die Ergebnisse meiner Experimente zu schnellen elektrischen Schwingungen“, schrieb Hertz 1888 in seinem achten Artikel, „zeigten mir, dass Maxwells Theorie gegenüber allen anderen Theorien der Elektrodynamik einen Vorteil hat.“ Das Feld in dieser Wellenzone zu verschiedenen Zeitpunkten wurde von Hertz mit einem Bild von Kraftlinien dargestellt. Diese Zeichnungen von Hertz wurden in alle Elektrizitätslehrbücher aufgenommen. Die Berechnungen von Hertz bildeten die Grundlage der Theorie der Antennenstrahlung und der klassischen Theorie der Strahlung von Atomen und Molekülen. So wechselte Hertz im Laufe seiner Forschungen endgültig und bedingungslos zu Maxwells Standpunkt, gab seinen Gleichungen eine bequeme Form, ergänzte Maxwells Theorie um die Theorie der elektromagnetischen Strahlung. Hertz erhielt experimentell die von Maxwells Theorie vorhergesagten elektromagnetischen Wellen und zeigte ihre Identität mit den Lichtwellen. 1889 las Hertz auf dem 62. Deutschen Naturforscher- und Ärztetag einen Bericht „Über die Beziehung zwischen Licht und Elektrizität“ vor. Hier fasst er seine Experimente mit folgenden Worten zusammen: „Alle diese Experimente sind im Prinzip sehr einfach, aber dennoch haben sie die wichtigsten Konsequenzen. Sie zerstören jede Theorie, die davon ausgeht, dass elektrische Kräfte augenblicklich über den Weltraum springen der Sieg von Maxwells Theorie ... So unwahrscheinlich ihre Ansicht über das Wesen des Lichts früher schien, so schwer ist es jetzt, diese Ansicht nicht zu teilen. 1890 veröffentlichte Hertz zwei Artikel: „Über die Grundgleichungen der Elektrodynamik in ruhenden Körpern“ und „Über die Grundgleichungen der Elektrodynamik für bewegte Körper“. Diese Artikel enthielten Forschungen über die Ausbreitung von "elektrischen Kraftstrahlen" und gaben im Wesentlichen jene kanonische Darstellung von Maxwells Theorie des elektrischen Felds, die seitdem in Lehrbücher aufgenommen wurde. Autor: Samin D. K.
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