Электронная теория

Хендрик Антон Лоренц – голландец, чье имя также неразрывно связанно с величественными уравнениями Максвелла, плененный их красотой он преданно защищал их от несовпадений с экспериментом, недостаточной точностью при использовании в расчетах, пытаясь примирить противоречия.

В уравнения Максвелла величинами, связывающими электрические и магнитные поля, выступали некие константы, характеризующие среду. Эти константы должны находиться из опыта, предсказать их изменение в зависимости от температуры, плотности, химического строения или кристаллической структуры вещества на основании уравнений Максвелла было невозможно и их нужно было бы заново находить из эксперимента.

Таким образом, для объяснения влияния на среду внешних факторов необходимо было дать объяснение природе констант. По словам Лоренца: “Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частичках, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах”. И вела к созданию его электронной теории.

Еще Фарадею было ясно, что каждый атом вещества, оседающий на электроде, несет с собой строго определенное количество электричества. Электричество раздавалось порциями. Максвелл, отвечая о причинах электрического поля, говорил – заряд и предлагал назвать заряд одновалентного иона «молекулой электричества». Однако говорили неохотно, поскольку идеи взаимодействующих зарядов лежали в основе теорий противников поля – Вебера, Неймана, Гельмгольца. Кстати, Гельмгольц вслед за Джонстоном Стонеем вернулся к «атому электричества». (Стоней называл его электроном.) Дал расчет. Оказалось, наименьшим количеством электричества обладает положительный ион водорода. Меньше заряда не бывает. Большие заряды можно разбить на порции, каждая порция – заряд водородного иона.

По теории Лоренца: все тела состоят из атомов; прежде неделимый атом разбился на ядро и электроны, из электронов, положительных и отрицательных (поскольку в целом тело нейтрально); электроны – единичные заряды. Двигаясь, они образуют электрический ток (ток – движение зарядов). Двигаясь, они создают магнитное поле (ток окружен магнитным полем). Тормозясь, они излучают электромагнитные волны. Ускоряясь, поглощают их. Волны распространяются со скоростью света. На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила – лоренцева сила.

С помощью построенной Лоренцом теории с успехом объяснился эффект Зеемана - под действием магнитного поля электроны начинали осцилировать, и спектр излучаемого света (соответствующий определенным частотам) расширяется. А также дана физическая интерпретация константам среды (диэлектрической и магнитной проницаемостям) и возможность их количественной оценки.

Первый удар электронная теория Лоренца получила от модели атома Резерфорда. Лоренц использовал атом Дж. Томсона - «пудинг с изюмом» - в ней электроны изюминами были вкраплены в громадное ядро. У Резерфорда атом – микроскопическая планетная система – с вращающимися вокруг ядра электронами.
Согласно теории Лоренца атом Резерфорда существовать не мог. Вращаясь вокруг ядра, электрон, излучает электромагнитные волны, теряет энергию, меньше энергии – меньше радиус орбиты, излучение продолжается – электрон неминуемо падает на ядро. Но модель атома Резерфорда существовала, и каждый новый день приносил новые подтверждения этому.

Впоследствии появился атом Бора, примиряющий теорию Лоренца и атом Резерфорда. В ней существовали «привилегированные» орбиты вращаясь по которым, электроны не излучали, Переходя с более высокой орбиты на более низкую, электрон в соответствии с теорией Лоренца излучает энергию. Причем количество энергии не случайно. Оно может изменяться только скачками, квантами.

Все это угнетало Лоренца. Его угнетала необходимость говорить студентам на одной лекции, что электроны, вращаясь, излучают энергию, а на другой – что электрон, вращающийся вокруг ядра по особой орбите, ничего такого не делает. К тому же – злополучный ветер. Эфирный ветер. У Лоренца эфир был неподвижен.

Считалось, что эфир необходим как среда, в которой распространяются электромагнитные волны, например свет, подобно тому, как молекулы воздуха необходимы для распространения звуковых волн. Странная среда, твердая как сталь, абсолютно прозрачная, неощутимая никакими органами чувств; в общем, все заполняющая собой, вездесущая, великая и непознаваемая. И, тем не менее, все были убеждены в том, что он существует.

Одно из следствий существования эфира должно было бы наблюдаться обязательно: если скорость света измерять движущимся прибором, то она должна быть больше при движении к источнику света и меньше при движении в другую сторону. Эфир можно было бы рассматривать как ветер, переносящий свет и заставляющий его распространяться быстрее, когда наблюдатель движется против ветра, и медленнее, когда он движется по ветру.

В знаменитом эксперименте, выполненном в 1887 г. Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли с помощью высокоточного прибора, называемого интерферометром, лучи света должны были пройти определенное расстояние в направлении движения Земли и обратно, а также перпендикулярно ее движению. Если бы эфир как-то влиял на движение, то времена распространения световых лучей отличались бы достаточно для того, чтобы их можно было измерить интерферометром. К удивлению сторонников теории эфира, никакого различия обнаружено не было.

Сразу же родилась гипотеза «частичного увлечения» эфира. Если эфир увлекается Землей, тащится за ней «эфирным хвостом», то, естественно, на поверхности Земли относительное перемещение эфира заметить невозможно. К сожалению, гипотеза обладала существенными недостатками. Эфир, так сказать, «разжижался» – нечто твердое, как сталь, превращалось в нечто, подобное студню, при этом возникали трудности в объяснении природы электромагнитных волн. Эта теория сразу уводила в сторону.

Была и другая теория – совершенно безумная. Английский физик Фитцджеральд был уверен, что эфир неподвижен, а тела двигаются сквозь него. Однако заметить движение невозможно – всякое тело, перемещающееся по эфиру, сжимается, сокращает свои размеры в направлении движения, причем тем больше, чем с большей скоростью оно перемещается. Сокращаются в размерах измеряющие тела метры и линейки.

Лоренц заинтересовался теорией – она давала возможность сохранить дорогие его сердцу уравнения Максвелла и электронную теорию. Лоренц считал, что деформация движущихся тел должна вызываться какими-то молекулярными силами, он облек идеи Фитцджеральда в изящные математические формы. И оказалось, что не только размеры должны изменяться в движущейся относительно эфира системе, но и само время! (Вот куда корнями восходит знаменитый «парадокс близнецов», заполняющий сейчас популярные книги по теории относительности) Однако, Лоренц был классиком. Он не мог отрешиться от всего классического опыта, чтобы сделать еще один шаг и изобрести теорию относительности, покоящуюся на только что упомянутых «преобразованиях Лоренца». Он не мог представить себе, что все «эфирные загадки», которым он посвятил столько времени, можно было вовсе не решать. Это смог сделать лишь Эйнштейн.