История и методология физики

 
Развитие электродинамики 
Важным шагом в развитии электродинамики Максвелла явилась теорема о 
переносе энергии электромагнитным полем. Ее доказали независимо в 1884 г. 
английские физики Джон Пойнтинг (1852-1914) и Оливер Хевисайд. Согласно этой 
теореме вектор плотности потока энергии электромагнитного поля определяется 
выражением 
. 
Надо отметить, что еще в 1874 г. русский физик Николай Алексеевич Умов 
(1846-1915) нашел общее выражение для вектора плотности потока энергии, не 
применяя его специально к электромагнитному полю. Так что вполне справедливо 
называть этот вектор вектором Умова-Пойнтинга. Огромное разнообразие 
электромагнитных 
явлений 
является 
предметом 
«микроскопической» 
электродинамики 
и 
электродинамики 
сплошных 
сред. 
Микроскопическая 
электродинамика (классическая теория поля) - это электродинамика вакуума и 
точечных зарядов. В ней широко используются методы механики: вариационные 

---

принципы, метод 
Лагранжа,
метод Гамильтона. В макроскопической электродинамике 
вводятся феноменологические коэффициенты (диэлектрическая и магнитная 
проницаемости ε и μ коэффициент электропроводности σ
),
которые должны 
определяться из опытных данных. Однако после открытия электрона стало ясно, что 
электроны и компенсирующие их положительные заряды как-то определяют 
структуру вещества, являющегося в целом электрически нейтральным. Поэтому 
феноменологические коэффициенты, описывающие электромагнитные свойства 
среды, должны каким-то образом быть связанными с ее структурой. Впервые вопрос о 
вычислении феноменологических коэффициентов на основе модельных представле-
ний о строении вещества поставил Лоренц. Созданная им классическая электронная 
теория вещества, построенная на основе пяти предположений, объясняла целый ряд 
электрических и магнитных явлений, в частности, явления дисперсии и поглощения 
электромагнитных волн. 
Предположения: 
1. Вещество состоит их положительных и отрицательных электронов2. 
Электроны находятся в эфире, состояние которого определяется электромагнитным 
полем. Это поле описывается уравнениями Максвелла в вакууме - уравнениями 
Максвелла-Лоренца. 
3. Заряд электрона распределен в очень малом объеме с некоторой плотностью 
р. 
4. Движение электронов происходит под действием силы со стороны 
электромагнитного поля. Объемная плотность этой силы (силы Лоренца) определяется 
формулой: 7 = 
Р
(
Е 
+[уВ]/с). 
5. Макроскопическое электромагнитное поле представляет собой усредненное 
по времени и пространству микроскопическое поле. 
В электродинамике сплошных сред для замыкания системы уравнений 
Максвелла необходимы так называемые материальные уравнения. Это соотношения, 
связывающие вектор индукции (или вектор плотности тока) с вектором 
напряженности электрического поля. Для этого были введены специальные 
преобразования, так называемые тензоры – тензор комплексной диэлектрической 
проницаемости, описывающий эффекты пространственно
-
временной дисперсии и 
другие. Конкретный вид тензоров зависит от электромагнитных свойств материальных 
сред, описание которых осуществляется в рамках выбранной модели. С помощью 
таких тензоров, являющихся составной частью дисперсионного уравнения, 
рассматриваются собственные волны (моды, ветви) в различных средах, в частности, в 
плазме, а также начальная стадия развития неустойчивостей. В нелинейной 
электродинамике вводят нелинейные (многоиндексные) тензоры диэлектрической 
проницаемости. 
Современная макроскопическая электродинамика получила обоснование 
фактически с использованием общих идей Лоренца, но базовые представления, 
конечно, иные, чем у Лоренца. Это, прежде всего, отказ от понятия эфира и уточнение 

---

описания микрочастиц, составляющих среду. При этом описание микроскопического 
электромагнитного поля основывается на уравнениях Максвелла-Лоренца. 
В конце XIX в. - начале XX в. остро встал вопрос об описании 
электромагнитных процессов в движущихся средах. Возникшие при этом 
существенные трудности и противоречия привели к созданию Эйнштейном теории 
относительности (1905). При этом потребовалось также изменить материальные 
уравнения. Подробнее об истории создании теории относительности говорится в главе 
«История оптики». 
С созданием теории относительности потребовался пересмотр основных 
уравнений физики. Оказалось, что уравнения Максвелла как в вакууме, так и в 
материальных средах непосредственно можно записать в явно ковариантной форме. 
Для этого необходимо ввести 4-вектор плотности тока и тензор электромагнитного 
поля, компоненты которого определяют компоненты векторов напряженностей поля. 
Наряду с этим важным является введение 4-вектора-потенциала электромагнитного 
поля, который описывается волновым уравнением при определенных условиях 
калибровки. 
Из электродинамики Максвелла выросли в самостоятельные области физики и 
прикладной физики такие разделы как квантовая электродинамика и квантовая теория 
поля, физическая электроника, плазменная электроника, электродинамика плазмы, 
магнитная гидродинамика, радиофизика, статистическая радиофизика, радиотехника, 
электротехника и т.п. С появлением мощных источников электромагнитного 
излучения – лазеров различных диапазонов начала развиваться нелинейная теория 
электромагнитных явлений и теория взаимодействия мощного электромагнитного 
излучения с веществом. Большая часть электродинамики связана с оптическими 
явлениями и процессами. История оптики рассматривается в следующей главе.