От силовых линий Фарадея до поля Максвелла Талантливому человеку сделать великое открытие иногда помогает даже недостаток образования. Сын кузнеца, ученик переплетчика, Фарадей был самоучкой, но своим интересом к науке и способностями обратил на себя внимание видного

СЕКРЕТЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО УСПЕХА ФАРАДЕЯ Среди характерных черт Фарадея (например, способность к самообучению и влияние религии на мышление) нужно подчеркнуть и его приверженность в исследованиях некоторым интеллектуальным установкам, которые помогли ему добиться

ПЕРЕВОД ИДЕЙ ФАРАДЕЯ НА МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЯЗЫК Электричество не могло быть жидкостью, проходящей по проводу, оно должно было генерироваться невидимой силой, как и линии магнитного поля, однако в данном случае линии шли от одного заряда к другому. Это невидимое поле, по

ГЛАВА 4. Взаимодействие между материей, электричеством и светом Теоретические отголоски открытий Фарадея достигли ученых следующих поколений, таких как Максвелл и Эйнштейн. Они приняли эстафету из рук сандеманианца, чтобы сформулировать теории, с большей точностью

КЛЕТКА ФАРАДЕЯ И ДИЭЛЕКТРИКИ Если бы мы могли перенестись в Королевский институт в конце 1835 года, мы бы увидели Фарадея, погруженного в конструирование необычного гигантского приспособления. Оно было настолько огромным, что его пришлось переместить в лекционный зал

НАСЛЕДИЕ ФАРАДЕЯ Глубокая духовность и способность к самообразованию подталкивали Фарадея к неутомимым поискам взаимосвязи между движением, магнетизмом и электричеством, как будто между частями Троицы - отдельными, но неразделимыми. Благодаря этой концепции

Наперегонки со светом Некоторые из великих открытий, продвинувших науку, можно назвать «легкими», однако не в смысле того, что их легко было сделать, а в том смысле, что, когда они совершены, их легко понять каждому. Ч. Дарвин В темнотеГлаз, оторвавшись от прибора, встречал

Работа 3.04

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ

Ю.Н.Волгин

1. Исследование искусственной оптической активности (эффекта Фарадея) стекла. Определение постоянной Верде и марки стекла.

2.Исследование естесственной оптической активности кристалла Bi12 SiO20 . Определение постоянной вращения.

ВВЕДЕНИЕ

1. Наглядное описание поляризованного света.

С точки зрения классической физики свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. Направления колебаний вектора напряженности электрического и магнитного поля (E и H соответственно) взаимно перпендикулярны и составляют прямой угол с лучом света. Большинство источников, кроме оптических квантовых генераторов (ОКГ), испускает так называемый естественный (неполяризованный) свет. По определению, естественный свет – это свет, в котором электрический и магнитный векторы хаотически меняют свое направление, оставаясь в плоскости, перпендикулярной лучу, что схематически показано на рис.1 для вектора Е . Все направления колебаний равновероятны.

Поляризованный свет – это свет, с преимущественным направлением колебаний вектора Е и Н . Общепринято изображать поляризованный свет, используя проекционную картину – проекцию траектории конца электрического вектора на плоскость, перпендикулярную лучу. Существует три типа поляризации: линейная, циркулярная, эллиптическая. Проекционная картина этих типов показана на рис.2 а схематическое изображение на рис.3.

Линейная поляризация включает в себя бесконечное число форм, различающихся

азимутом (угол α на рис.2).

Циркулярная поляризация (круговая) включает в себя две формы, различающиеся направлением вращения.

Нетрудно показать, что линейно поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух форм циркулярно поляризованного света (см. рис.4).

Эллиптическая поляризация включает в себя бесконечное число форм, различающихся азимутом, эллиптичностью и направлением вращения, и является наиболее общим типом поляризации.

Часто пользуются понятием «плоскость поляризации», определяя так плоскость, содержащую направление распространения волны и направление колебаний вектора Е . Следует заметить, что определение это неоднозначно, так как можно создать несколько волн, имеющих одну и ту же плоскость поляризации, но разное направление колебаний вектора Е .

Обычно свет состоит из естественной и поляризованой составляющих. Такой свет называется частично поляризованным. Отношение интенсивности поляризованной составляющей частично поляризованного света к полной его интенсивности называется степенью поляризации и записывается в виде

где Р – степень поляризации, I пол – интенсивность поляризованной составляющей, I ест

– интенсивность естественной составляющей.

Если свет частично линейно поляризован, то параметр степени поляризации может быть определен экспериментально как отношение разности интенсивностей двух выделенных ортогональных поляризаций к их сумме.

Соответствие формул (1) и (2) нетрудно показать. Поляризатор – это оптическое устройство, проходя через которое свет становится линейно поляризованным.

Действие поляризатора состоит в том, что он разделяет первоначальный пучок на два, в которых направления колебаний вектора Е взаимно перпендикулярны, т.е. ортогональны, пропускает один из них и поглощает или отражает другой. Работа поляризаторов разных типов основана на таких физических явлениях как явление двойного лучепреломления, отражения света, дихроизма и др. Идеальный поляризатор полностью пропускает свет, линейно поляризованный вдоль его оптической оси ОО, и не пропускает свет, линейно поляризованный перпендикулярно оптической оси. Пропускание двух установленных один за другим поляризаторов становиться минимальным когда их оптические оси взаимно перпендикулярны (поляризаторы скрещены).

2. Об оптической активности.

Открытие волновой, электромагнитной природы света позволило объяснить многие явления, возникающие при взаимодействии света и вещества, например, явление дисперсии, рассеяния и др. Большой интерес представляет явление вращение плоскости поляризации света при его прохождении через среду. Свойство вещества поворачивать плоскость поляризации света называется естественной оптической активностью. Этим свойством, как оказалось, обладают некоторые жидкости, растворы многих веществ, а также некоторые кристаллы. Такие вещества получили название естественно активных веществ.

Вращательные способность естественно оптически активных веществ характеризуют постоянной вращения:

где, ψ - угол поворота плоскости поляризации, d – толщина слоя вещества.

Значение η зависит от природы вещества, от температуры, от длины волны

Обычно явление естественной оптической активности наблюдается в анизотропных кристаллах. Наблюдать и интерпретировать его удобнее, когда свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Изучение вращения в кристаллах, например в кварце (SiO2 ) показывает, что существует два сорта кварца: правовращающий (положительный, поворачивающий плоскость поляризации по часовой стрелке, обозначается индексом «+») и левовращающий (отрицательный «-»), при этом η + =η - . Направление вращения принято устанавливать для наблюдателя, смотрящего навстречу лучу света (*). При изменении направления распространения света на 1800 , направление вращения не изменяется.

Объяснения оптической активности дал Френель в 1817г., основываясь на предположении о том, что фазовая скорость света V , т.е. показатель преломления n в оптически активных веществах различны для лучей, поляризованных право- и левоциркулярно. При этом, для правовращающих веществ V + >V - , n +

На рис. 4 приведен пример сложения двух циркулярно поляризованных волн

оптически активного вещества совокупность право- и левоциркулярно поляризованных волн эквивалентна линейно поляризованному свету с колебаниями электрического вектора, направленными относительно АА, т.е. вращающиеся векторы Е + и Е - симметричны относительно АА. Тогда, при условии V + =V - , Е + будет повернут на больший угол (ϕ + ) вправо, чем Е - влево (ϕ - ). Следовательно, плоскость, относительно которой векторы Е + и Е - будут симметричны, оказывается ВВ, повернутая вправо относительно АА, т.е. плоскостью поляризации, повернутой на угол ψ (рис. 4б), равный половине разности фаз между Е + и Е - . Это видно из рисунка:

где λ 0 – длина световой волны в вакууме.

(*) Следует заметить, что направление вращения некоторые авторы устанавливают для наблюдателя, смотрящего по лучу, также как под плоскостью поляризации в некоторых учебниках подразумевается плоскость, проходящая через магнитный вектор (а не электрический) и направление распространения света. Мы пользуемся определениями, рекомендуемыми в

3. Эффект Фарадея.

Большинство веществ становятся оптически активными при воздействии внешнего магнитного поля. Это явление (вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении его через вещество, помещенное в продольное магнитное поле) называется эффектом Фарадея – по имени первооткрывателя. Эффект Фарадея относится к числу магнитооптических явлений. Исследование диэлектриков и полупроводников с помощью магнитооптических методов позволяет наиболее точно определять их важнейшие характеристики, параметры энергетической структуры и имеет большое практической значение.

Угол поворота плоскости поляризации может быть вычислен по следующей формуле:

ψ = V H d (5)

где d – путь света в веществе, Н – напряженность магнитного поля, V – постоянная Верде, которая зависит от частоты света, свойств вещества и температуры . Принято постоянную Верде измерять в угловых минутах, деленных на эрстед и сантиметр (мин/Э см). В оптической промышленности по значению V определяют состав стекла. Направление вращения, т.е. знак V зависит от направления магнитного поля и не связано с направлением распространения света. Поэтому фарадеевское вращение условно принято считать положительным для наблюдателя, смотрящего по полю, если плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке (вправо).

Очевидно, что с феноменологической точки зрения эффект Фарадея, по аналогии с естественной активностью объясняется тем, что показатели преломления n + и n - для света, поляризованного право- и левоциркулярно, становятся различными при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. Детальная интерпретация эффекта Фарадея возможна лишь на основе квантовых представлений . Конкретный механизм явления может быть несколько различным в разных веществах и в разных областях спектра. Однако, с точки зрения классических представлений, эффект Фарадея всегда связан с влиянием на дисперсию вещества

частоты ω L = e 2 mc H , с которой оптические электроны совершают ларморовскую

прецессию вокруг направления магнитного поля, и может быть получен на основе классической теории дисперсии. В диэлектриках в видимой области спектра дисперсия определяется связанными электронами, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля световой волны. Вещество рассматривается как совокупность таких классических осцилляторов. Тогда, записав и решив уравнение движения электронов отдельно для лево- и правоциркулярно поляризованной волны, можно получить выражение для угла поворота плоскости поляризации в виде:

здесь е – заряд электрона, m -масса электрона, N – концентрация электронов, ω - частота света, с - скорость света в вакууме, ω 0 – собственная частота осциллятора. С выводом формул (6) и (7) можно ознакомиться в приложении, имеющимся в лаборатории.

УСТАНОВКА Схема экспериментальной установки приведена на рис.5. Источником линейно

поляризованного света (λ 0 =0,632 мкм) является оптический квантовый генератор 2 с блоком питания 1. Далее свет попадает на дополнительный неподвижный поляризатор 3 и через отверстия в полюсе электромагнита 6,7 – на образец 4, после чего проходит через второй поляризатор 5, выполняющий роль анализатора поворота плоскости поляризации после взаимодействия света с веществом. Затем свет попадает на фотоэлемент (приемник излучения) 9. К фотоэлементу подключен регистрирующий прибор – вольтметр 10. Обмотки электромагнита подключены к блоку питания 11. Угол поворота анализатора измеряется с помощью связанного с ним отсчетного устройства с угловым нониусом. Полный отсчет равен сумме отсчетов по основной шкале и по шкале нониуса. Отсчет по основной шкале делается по риске, соответствующей нулю нониуса. Отсчет по нониусу на 30 угловых минут снимается в месте совпадения риски шкалы и нониуса с риской основной шкалы.

ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Подготовить приборы к включению.

2. Включить лазер и блок питания магнита.

3. Установить между полюсами магнита образец №1 (стекло) и провести юстировку оптической системы, т.е. добиться, чтобы свет от лазера проходил через поляризатор 5, отверстия в полюсах электромагнита, образец, анализатор 9 и попадал на фотоэлемент.

4. Провести исследования эффекта Фарадея, сняв зависимость угла поворота плоскости поляризации от силы тока электромагнита. Результаты занести в таблицу 1. Напряженность магнитного поля Н определяется по току магнита с помощью градуировочного графика на установке.

5. Провести исследование естественной оптической активности образца Bi 12 SiO20 (силикат висмута). Данныe занести в таблицу 2 (многократные измерения).

Бoлее подробнo порядок выполнения работы смотрите в инструкции, которую получите в лаборатории.

ВНИМАНИЕ!!!

ДЕТАЛИ ОТМЕЧЕННЫЕ КРАСНОЙ КРАСКОЙ, ТРОГАТЬ ЗАПРЕЩАЕТСЯ!!!

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Используя данные таблицы 2 (исследование естественной оптической активности) вычислить среднее значение и его погрешность, как погрешность прямых многократных измерений .

2. По формуле (3) вычислить постоянную вращения. Вычислить погрешность η ,

как погрешность косвенных измерений . Толщина образца №2 (Bi12 SiO20 ) d =0,83± 0,02 мм.

3. Используя данные таблицы 1 (исследование эффекта Фарадея) построить график зависимости угла поворота плоскости поляризации ψ от напряженности магнитного поля Н (ψ - в угловых минутах, Н – в эртедах). Методом парных точек или наименьших квадратов вычислить угловой коэффициент (К) и его погрешность .

4. Используя формулу К =Vd , вычислить постоянную Верде и ее погрешность, с помощью таблицы 3 определить марку стекла. Толщина образца №1 (стекло) d =10,0± 0,2 мм.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физическая оптика. Терминология. Изд. «Наука», М., 1971.

2. Ландберг Г.С. Оптика. Изд. «Наука», М., Л., 1981.

3. Волькштейн И.В. Молекулярная оптика. М., Л., 1981.

4. Обработка результатов измерений. Ленинград. ЛПИ, 1981.

Эффект Фарадея заключается в том, что при прохождении плоскополяризованного света через вещество, магнитное поле в котором не равно нулю, возникает вращение плоскости поляризации. Очевидно, эффект Фарадея можно использовать лишь для исследования прозрачных сред. При изучении доменной структуры он может быть применен для очень тонких прозрачных ферромагнитных пленок .

Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления намагниченности в домене. Если при исследовании структуры с антипараллельными доменами поляризатор и анализатор скрещены для доменов одного из направлений намагниченности, т.е. свет от этих доменов не проходит, то для доменов противоположного направления намагничености вследствие различного направления вращения плоскости поляризации свет через анализатор пройдет. Таким образом, доменная структура будет видна в виде темных и светлых полос доменов противоположной намагниченности .

Характерно то, что здесь выявляются сами домены, а не границы между доменами, как в случае метода порошковых фигур.

На рисунке 1.13 приведена фотография доменной структуры ферромагнитной пленки толщиной 500Ǻ, выявленная с помощью эффекта Фарадея.

Рис.1.13. Доменная структура тонкой ферромагнитной пленки, выявленная с помощью эффекта Фарадея.

Угол поворота плоскости поляризации может быть вычислен по следующей формуле :

где d – путь света в веществе, Н – напряженность магнитного поля, V – постоянная Верде, которая зависит от частоты света, свойств вещества и температуры. Принято постоянную Верде измерять в угловых минутах, деленных на эрстед и сантиметр (мин/Э⋅см). В оптической промышленности по значению V определяют состав стекла.

Направление вращения, т.е. знак V зависит от направления магнитного поля и не связано с направлением распространения света. Поэтому фарадеевское вращение условно принято считать положительным для наблюдателя, смотрящего по полю, если плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке (вправо).

Очевидно, что с феноменологической точки зрения эффект Фарадея, по аналогии с естественной активностью объясняется тем, что показатели преломления n + и n - для света, поляризованного право- и левоциркулярно, становятся различными при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. Детальная интерпретация эффекта Фарадея возможна лишь на основе квантовых представлений. Конкретный механизм явления может быть несколько различным в разных веществах и в разных областях спектра. Однако, с точки зрения классических представлений, эффект Фарадея всегда связан с влиянием на дисперсию вещества частоты , с которой оптические электроны совершают ларморовскую прецессию вокруг направления магнитного поля, и может быть получен на основе классической теории дисперсии. В диэлектриках в видимой области спектра дисперсия определяется связанными электронами, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля световой волны. Вещество рассматривается как совокупность таких классических осцилляторов. Тогда, записав и решив уравнение движения электронов отдельно для лево- и правоциркулярно поляризованной волны, можно получить выражение для угла поворота плоскости поляризации в виде :

здесь е – заряд электрона, m -масса электрона, N – концентрация электронов, ω - частота света, с - скорость света в вакууме, ω 0 – собственная частота осциллятора.

Более высокого разрешения (до 100 нм) позволяет достичь микроскопия Керра. В таком микроскопе поворот плоскости поляризации светового пучка происходит не при прохождении магнитооптического кристалла, а при его отражении непосредственно от рабочей поверхности носителя. Однако полученные с помощью микроскопа Керра изображения имеют более низкий контраст, а стоимость оборудования значительно выше, поэтому на практике для исследования магнитных носителей чаще используют магнитооптический метод визуализации на феррит-гранатовых пленках.

Наиболее близким к решению поставленной задачи является способ визуализации магнитного поля, включающий помещение в это поле магнитооптического преобразователя, выполненного в виде нанесенной на прозрачную подложку висмутсодержащей монокристаллической пленки феррит-граната, и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта Фарадея. Для визуализации неоднородного магнитного поля достаточно наблюдать в микроскоп или на экране компьютера магнитооптическое изображение, возникающее в индикаторной магнитной пленке, которое отображает картину полей рассеяния. Такое изображение несет качественную (опосредованную) информацию о распределении (рисунке) магнитного поля и может применяться для идентификации магнитных меток .

На сегодняшний день известны и уже успешно применяются для визуализации неоднородного магнитного поля Bi-содержащие пленки ферритов-гранатов. Bi обеспечивает большое магнитооптическое вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея) и, соответственно, высокий контраст изображения.

Эффект Фарадея заключается в том, что при прохождении плоскополяризованного света через вещество, магнитное поле в котором не равно нулю, возникает вращение плоскости поляризации. Очевидно, эффект Фарадея можно использовать лишь для исследования прозрачных сред. При изучении доменной структуры он может быть применен для очень тонких прозрачных ферромагнитных пленок .

Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления намагниченности в домене. Если при исследовании структуры с антипараллельными доменами поляризатор и анализатор скрещены для доменов одного из направлений намагниченности, т.е. свет от этих доменов не проходит, то для доменов противоположного направления намагничености вследствие различного направления вращения плоскости поляризации свет через анализатор пройдет. Таким образом, доменная структура будет видна в виде темных и светлых полос доменов противоположной намагниченности .

Характерно то, что здесь выявляются сами домены, а не границы между доменами, как в случае метода порошковых фигур.

На рисунке 1.13 приведена фотография доменной структуры ферромагнитной пленки толщиной 500?, выявленная с помощью эффекта Фарадея.

Рис.1.13.

Угол поворота плоскости поляризации может быть вычислен по следующей формуле :

где d - путь света в веществе, Н - напряженность магнитного поля, V - постоянная Верде, которая зависит от частоты света, свойств вещества и температуры. Принято постоянную Верде измерять в угловых минутах, деленных на эрстед и сантиметр (мин/Э?см). В оптической промышленности по значению V определяют состав стекла.

Направление вращения, т.е. знак V зависит от направления магнитного поля и не связано с направлением распространения света. Поэтому фарадеевское вращение условно принято считать положительным для наблюдателя, смотрящего по полю, если плоскость поляризации поворачивается по часовой стрелке (вправо).

Очевидно, что с феноменологической точки зрения эффект Фарадея, по аналогии с естественной активностью объясняется тем, что показатели преломления n + и n - для света, поляризованного право- и левоциркулярно, становятся различными при помещении оптически неактивного вещества в магнитное поле. Детальная интерпретация эффекта Фарадея возможна лишь на основе квантовых представлений. Конкретный механизм явления может быть несколько различным в разных веществах и в разных областях спектра. Однако, с точки зрения классических представлений, эффект Фарадея всегда связан с влиянием на дисперсию вещества частоты, с которой оптические электроны совершают ларморовскую прецессию вокруг направления магнитного поля, и может быть получен на основе классической теории дисперсии. В диэлектриках в видимой области спектра дисперсия определяется связанными электронами, которые совершают вынужденные колебания под действием электрического поля световой волны. Вещество рассматривается как совокупность таких классических осцилляторов. Тогда, записав и решив уравнение движения электронов отдельно для лево- и правоциркулярно поляризованной волны, можно получить выражение для угла поворота плоскости поляризации в виде :

здесь е - заряд электрона, m -масса электрона, N - концентрация электронов, щ - частота света, с - скорость света в вакууме, щ 0 - собственная частота осциллятора.

Более высокого разрешения (до 100 нм) позволяет достичь микроскопия Керра. В таком микроскопе поворот плоскости поляризации светового пучка происходит не при прохождении магнитооптического кристалла, а при его отражении непосредственно от рабочей поверхности носителя. Однако полученные с помощью микроскопа Керра изображения имеют более низкий контраст, а стоимость оборудования значительно выше, поэтому на практике для исследования магнитных носителей чаще используют магнитооптический метод визуализации на феррит-гранатовых пленках.

Наиболее близким к решению поставленной задачи является способ визуализации магнитного поля, включающий помещение в это поле магнитооптического преобразователя, выполненного в виде нанесенной на прозрачную подложку висмутсодержащей монокристаллической пленки феррит-граната, и регистрацию распределения векторов намагниченности по ее площади с помощью магнитооптического эффекта Фарадея. Для визуализации неоднородного магнитного поля достаточно наблюдать в микроскоп или на экране компьютера магнитооптическое изображение, возникающее в индикаторной магнитной пленке, которое отображает картину полей рассеяния. Такое изображение несет качественную (опосредованную) информацию о распределении (рисунке) магнитного поля и может применяться для идентификации магнитных меток .

На сегодняшний день известны и уже успешно применяются для визуализации неоднородного магнитного поля Bi-содержащие пленки ферритов-гранатов. Bi обеспечивает большое магнитооптическое вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея) и, соответственно, высокий контраст изображения.

У Фарадея не было теории того явления, которое он обнаружил. В следующем, 1846 году Г. Б. Эри (1801-1892) показал, как описать это явление аналитически в рамках волновой теории света. Уравнения света содержали некоторые вторые производные перемещения по времени. Эри добавлял ad hoc другие члены, содержащие первые или третьи производные. Это стандартный ход в физике. Для того, чтобы уравнения удовлетворяли явлению, с полки берутся стандартные дополнительные члены уравнения, без определенного представления о том, почему поможет один, а не другой.
В 1856 году Кельвин предложил физическую модель: магнитное поле заставляет молекулы в куске стекла вращаться вокруг осей, параллельных линиям напряженности. Это молекулярное вращение сочетается с вибрациями, производимыми световыми волнами, и, следовательно, заставляет вращаться плоскость поляризации.
Модель Кельвина была принята Максвеллом и помогла ему сформировать электромагнитную теорию света. Однако она не очень хорошо сочеталась с подробностями эксперимента, о которых сообщает Верде. Тогда Максвелл использовал аргументы симметрии для того, чтобы определить добавочные члены в уравнениях электромагнитного поля, используемого для описания явления. Наконец, в 1892 году Х.А. Лоренц совместил уравнения Максвелла со своей теорией электрона. Основанное на этом объяснение используется и поныне. Эффект описывали физически, в стиле Кельвина, как локальное движение вокруг линий напряжения. Но это не кельвиновское мистическое вращение молекул, которое просто имеет место и все. Это движение электронов, вызываемое электромагнитным способом.

Шесть уровней "теории"

В нашем рассказе участвует по крайней мере шесть разных уровней теории. Это не просто уровни большей или меньшей общности или логической силы, скорее разные типы теоретизирования. Первая экспериментальная работа была проделана Фарадеем, а затем Верде. "Теоретические" идеи можно представить следующим образом, в порядке появления:
1. Движимый верой в единство науки, Фарадей размышляет на тему о том, что должна быть некоторая связь между электромагнетизмом и светом.
2. Возникает фарадеевская аналогия открытию Брюстера: электромагнитные явления могут влиять на поляризационные свойства.
3. Эри дает математическое описание ad hoc.
4. Кельвин создает физическую модель, используя механическую картину молекул, вращающихся в стекле.
5. Максвелл использует аргумент симметрии для того, чтобы предоставить формальный анализ в рамках новой электромагнитной теории.
6. Лоренц предоставляет физическое объяснение в рамках теории электрона.
Я не хочу сказать, что эти различные типы гипотез появляются во всяком исследовании, а также то, что они должны появляться в таком порядке. Эта история в духе Бэкона начинается с глубокой идеи и аналогии, подтверждается экспериментом, а затем развивается во все более приемлимые теоретические формулировки. Конечно, очень часто вначале возникает большая теория (6). Наш пример лишь иллюстрирует банальный, но легко забываемый факт о том, что слово "теория" покрывает множество вопросов. Словарь говорит, что этимологически слово "теория" происходит от греческого слова, обозначающего, в том числе, спекулятивное мышление. Давайте остановимся на этом.

Спекуляция

Как и Ч.У.Ф.Эверитт, я придерживаюсь не двойной, а тройной классификации родов деятельности. Я называю их спекулятивным рассуждением, вычислением и экспериментом.
Слово "спекулирование" может быть применено ко всякого рода болтовне и играм на биржах. Я буду понимать под спекуляцией интеллектуальное представление чего-либо, имеющего интерес, игру в переструктурирование идей, которая может дать нам по крайней мере качественное понимание некоторых общих свойств мира.
Являются ли спекуляции только качественными? Конечно, нет. Физика - количественная наука. И все же большинство теорий имеют свободные параметры, значения которым даются в эксперименте. Основополагающая теория более качественна. Одна старая спекуляция заключалась в том, что путь, пройденный телом, свободно падающим на землю, зависит от квадрата времени падения. Он представляется как 1/2gt2. Численное значение местного ускорения свободного падения g не входило в исходную спекуляцию. Это лишь пустое место, которое мы заполняем при помощи не-теоретического измерения. В настоящее время всякая количественная теория в конечном счете говорит: "Уравнения имеют такую-то и такую-то форму, в которой определенные константы природы должны быть получены эмпирически". Долгое время бытовала лейбницевская мечта о выведении мировых констант, но пока это лишь программа, а не результативная деятельность. Таким образом, несмотря на все свои количественные признаки, спекуляция может быть существенно качественной.
Существует по крайней мере столько же способов спекуляции, сколько и представлений. Существуют физические модели, иллюстрацией которых может быть описание эффекта Фарадея, предложенное Кельвином. Существуют математические структуры. Оба подхода привели к замечательным прозрениям. В соответствии с одним неверным стереотипом о науке второй половины девятнадцатого века немецкие физики использовали, в основном, математические подходы, тогда как британские создавали физические модели. На самом деле исследования этих двух типов взаимодействовали друг с другом, а исследователи часто открывали почти что одни и те же факты совершенно разными методами. Более того, при ближайшем рассмотрении оказывается, что большая часть физических моделей, например, Максвелла, включают абстрактные структуры. Таким образом, элементы его статистической механики были не твердыми частицами, а математическими дифференциалами без какого-либо явного физического значения. И наоборот, работа множества немецких прикладных математиков зависела от простых физических моделей. Эти стороны человеческого разума в общем не отделимы, а сочетаются и будут сочетаться и изменяться непредсказуемым способом.

Вычисление

Кун замечает, что нормальная наука - дело того, что он называет артикуляцией. Мы артикулируем теорию для того, чтобы она была лучше согласована с миром, была открытой для опытного подтверждения. Большая часть начальных спекуляций плохо согласуется с миром. Это происходит по двум причинам. Одна заключается в том, что из спекуляции вряд ли можно вывести следствия, которые даже в принципе будут проверяемы. Другая причина заключается в том, что высказывание, которое в принципе проверяемо, часто не бывает проверяемо, просто потому что никто не знает, как осуществить проверку. Требуются новые экспериментальные идеи и новые виды технологий. В примере с Гершелем и тепловым излучением потребовалась термопара и идеи Македонио Меллони, для того чтобы по-настоящему разработать исходные спекуляции Гершеля.
Таким образом, артикуляция Куна должна обозначать два типа вещей - артикуляцию теории и артикуляцию эксперимента. Более теоретическую из этих типов деятельности я условно назову "вычислением". Я имею в виду не простой счет, а математическое воплощение данной спекуляции, приводящее ее к большей согласованности с миром.
Ньютон был великий мастер спекуляций. Он был также великим вычислителем. Он изобрел дифференциальное исчисление для того, чтобы понять математическую структуру своих спекуляций о движении планет. Ньютон был также одаренным экспериментатором. Мало кто из ученых проявил себя в обоих типах деятельности. П.С. Лаплас (1749-1827) представляет пример великолепного вычислителя. Его "Небесная механика", написанная около 1800 года, была по тому времени самой тонкой разработкой ньютоновской теории движения планет. Ньютон оставил без ответа бесчисленное множество вопросов, для ответа на которые (а иногда даже и для постановки которых) потребовалась новая математика. Лаплас также известен благодаря своему выдающемуся вкладу в теорию вероятностей. В начале своей знаменитой вводной лекции о вероятности он сформулировал одну классическую версию детерминизма. Он сказал, что высший разум, обладающий знанием уравнений вселенной и множества граничных условий, в состоянии вычислить положение и скорости всех частиц в любом отдаленном будущем. Создается впечатление, что Лаплас представлял Высший Разум как несколько более совершенный вариант самого Лапласа, Великого Вычислителя. Лаплас применял ньютоновские идеи притяжения и отталкивания к большинству исследуемых вопросов, включая тепло и скорость звука. Как я уже заметил, так же как Лаплас увенчал достижения Ньютона мощными вычислениями, менее значительные экспериментаторы своими вольтовыми батареями, компасами и различными световыми фильтрами по крайней мере держали ньютоновскую программу на плаву.