От чёрных облаков к чёрным дырам

В окружающей нас сегодня жизни мы часто сталкиваемся с эффектами электричества и магнетизма. Хотя эти явления были открыты порознь, постепенно стало ясно, что они тесно связаны. На рис. 3 показаны два эксперимента, демонстрирующие эту взаимосвязь. Столь существенные для современной технологии электромотор и динамо-машина используют в своей работе электромагнитные эффекты, открытые с помощью подобного рода экспериментов.

Рис. 3. Магнитная стрелка компаса отклоняется, когда на проволоке, находящейся рядом с компасом, течёт электрический ток. Это свидетельствует а том, что ток порождает магнитную силу. Эффект был обнаружен Андре Мари Ампером (1775 - 1836 гг.). При движении магнита сквозь замкнутую петлю из проволоки в последней возникает электрический ток (а). Майкл Фарадей (1791 - 1867 гг.) впервые показал, что изменение магнитного поля в замкнутой электрической цепи порождает в ней электрические токи (б)

Максвеллу удалось написать простые по форме уравнения, в которых нашли отражение все различные свойства электричества и магнетизма, и из этих уравнений следует, что свет является электромагнитной волной.

Простейшая электромагнитная волна изображена на рис. 4. Чтобы понять её природу, будем использовать аналогию с волнами, возникающими на поверхности спокойного пруда, если бросить в него камешек. В этом случае нам кажется, что волны разбегаются от той точки, где камешек ударился о поверхность воды. Но это движение иллюзорно в том смысле, что никакого физического перемещения частичек воды от центра не происходит. Эти частички просто движутся вверх и вниз в одном и том же месте, но их движение так согласовано, что возникает впечатление расходящейся волны.

Рис. 4. Волна указывает на максимумы и минимумы напряжённости электрического возмущения. (Магнитное возмущение ведёт себя аналогично. Оно перпендикулярно плоскости рисунка - на рисунке не показано.) В процессе распространения волны вправо эти возмущения периодически нарастают и спадают

Аналогично электромагнитная волна на рис. 4 состоит из переменных электрических и магнитных возмущений. Эти возмущения происходят в перпендикулярных направлениях. Длина стрелок на рисунке характеризует интенсивность этих возмущений, называемых научным языком «полями». На рис. 4, а мы видим, что электрическое (Е) и магнитное (В) поля максимальны в точках A⁺, B⁺, C⁺, и т. д. (это соответствует максимальной высоте, на которую поднимается частичка воды в волне на поверхности). Аналогично A^-, B^-, C^- и т. д. - точки, в которых поля принимают максимальные отрицательные значения (что соответствует провалам в волне на воде). Наконец, поля равны нулю в точках A⁰, B⁰, C⁰ и т. д. (это соответствует поверхности уровня в волне на воде).

На рис. 4,б значения полей изменились на противоположные, став максимальными и отрицательными в точках A⁺, B⁺, C⁺... и максимальными и положительными в точках A^-, B^-, C^-. Сами эта точки не сдвинулись, но профиль волны сдвинулся направо. Дальнейшее движение профиля волны показано на рис. 4, в.

Расстояние между двумя последовательными точками положительного максимума (между двумя горбами волны) называется длиной волны. Обычно она обозначается λ. На рис 4, б по отношению к рис. 4, а волна сдвинулась вправо на половину длины волны, а на рис. 4, в по отношению к рис. 4, а этот сдвиг равен целой длине волны.

Какой промежуток времени разделяет состояния на рис. 4, а и 4, в? Ясно, что в течение этого периода времени электрическое и магнитное поля совершают полный цикл изменений от максимально положительного значения через максимально отрицательное назад к максимально положительному. Число таких циклов за единицу времени (обычно в качестве этой единицы выбирается секунда) называется частотой волны. Обычно эта величина обозначается символом ν.

Глядя на сдвиг волны от положения а до положения в на рис. 4, мы видим, что за единицу времени должно быть ν циклов и в каждом цикле волна проходит расстояние λ. Поэтому скорость волны, равная расстоянию, которое она проходит за единицу времени, определяется формулой

c = νλ