65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

К чему же привело добавление в одно из уравнений, описывающих поведение и взаимосвязи электрических и магнитных полей, дополнительного слагаемого? Прежде всего, уравнения перестали противоречить друг другу, система стала математически согласованной. Теперь у физиков появился мощный математический аппарат для описания и анализа всех электрических и магнитных явлений. Но самым главным было то, что из новых уравнений следовала возможность существования совершенно новых физических сущностей, ранее ученым неизвестных[24]. А именно, в одном из уравнений Максвелла переменное электрическое поле теперь могло порождать магнитное, а далее это изменяющееся магнитное поле порождало опять электрическое, и т. д. Таким образом, эти как бы сцепленные друг с другом электрические и магнитные поля могут удаляться от источника, убывая при этом не слишком быстро. Это и есть то, что мы сегодня называем электромагнитными волнами.

Конечно же, остальным физикам не очень понравилась такая дерзость. Еще бы! Разве можно просто так дописывать в уравнения какие-то новые слагаемые, из которых еще и следует существование каких-то новых феноменов? Поэтому многие из них попытались опровергнуть Максвелла. А как в физике это происходит? При помощи эксперимента. Так, в 1886–1888 годах немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) провел целую серию экспериментов, чтобы показать, что никаких электромагнитных волн не существует. Каково же было его удивление, когда его приборы именно их и зафиксировали. Более того, Герцу удалось изучить различные свойства этих доселе неизвестных волн: отражение, преломление, поляризацию. Он даже измерил их скорость, и она оказалась равна скорости света[25]. Всё было в точном соответствии с уравнениями Максвелла. Это открытие ознаменовало начало новой «электрической эры».

Так какие же электромагнитные волны бывают и чем они отличаются друг от друга? Мы уже выяснили, что электромагнитная волна – это электромагнитные колебания (периодически изменяющиеся электрическое и магнитное поля), распространяющиеся в пространстве. И, как любые другие волны, она тоже характеризуется частотой и длиной волны. Частота показывает, сколько колебаний за 1 секунду совершает электромагнитное поле, а длина волны показывает расстояние между двумя соседними «пиками» (или максимумами) волны. Произведение частоты на длину волны – это всегда одно и то же число, которое равно скорости распространения волны[26].

Из уравнений Максвелла также следует, что у всех электромагнитных волн скорость одна и та же, выражается она через константы электрического и магнитного взаимодействий и не зависит от системы отсчета (об этом мы будем подробно говорить чуть позже). Численное значение этой скорости оказалось равным уже известному тогда значению скорости света. Из этого факта сделали вывод, что свет тоже представляет собой электромагнитную волну.

В порядке увеличения частоты или уменьшения длины волны все электромагнитные волны делятся на несколько типов:

1) Радиоволны (самая большая длина волны / самая маленькая частота) – это те самые волны, которые ловят наши радиоприемники и телевизоры, также они используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

2) Микроволны (их длина волны чуть поменьше / частота чуть побольше) – они не только разогревают еду в микроволновых печах, но и передают сигналы сотовой связи и раздают Интернет через Wi-Fi-роутеры.

3) Инфракрасное излучение (ну, вы уже поняли, что происходит: длина волны меньше / частота больше) – его испускают все нагретые тела[27], поэтому оно используется в приборах ночного видения и тепловизорах.

4) Видимый свет – этот вид излучения, в отличие от всех остальных, мы можем воспринимать своими собственными глазами.

5) Ультрафиолетовое излучение используется в соляриях, поскольку вызывает пигментацию кожи человека (т. е. загар), а также, например, в стоматологии для установки световых пломб, которые затвердевают под воздействием ультрафиолета.

6) Рентгеновское излучение используется в медицине для получения снимков костей, суставов и внутренних органов человека (в том числе в компьютерной томографии), а также в аэропортах, вокзалах и других общественных местах для сканирования багажа.

7) Гамма-излучение (самые короткие волны и самые большие частоты) – это излучение возникает в ядерных реакциях и имеет самую большую проникающую способность, используется в позитронно-эмиссионной томографии.

Кстати, световые волны разных цветов отличаются друг от друга тоже только длиной волны / частотой. В радуге они располагаются также по увеличению частоты: сначала идет красный (с самой большой длиной волны, самой низкой частотой), затем оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и наконец фиолетовый (у него самая короткая длина волны, самая большая частота).