Становление концепции физического поля

Но главная  память о Максвелле, вероятно, единственном в истории науки человеке, в  честь которого имеется столько  названий, – это «уравнения Максвелла», «электродинамика Максвелла», «правило Максвелла», «ток Максвелла» и, наконец, – максвелл – единица магнитного потока в системе CGS.

Все приведенные  названия относятся к области  физики, которой Джеймс Клерк Максвелл посвятил жизнь, – электродинамике, теории электромагнитного поля.

Ко времени  Максвелла существовали две теории электричества: теория «силовых линий» Фарадея и теория, разработанная  великими французами Кулоном, Ампером, Био, Саваром, Араго и Лапласом. Исходная точка французов – представление о так называемом «дальнодействии», мгновенном действии одного тела на другое на расстоянии без помощи какой-либо промежуточной среды.

Эти ученые были в плену авторитета великого Ньютона и в плену созданных  им математических формул (закон всемирного тяготения), хотя Ньютон, по существу, не может считаться первым апологетом «действия на расстоянии». Так, он, в  частности, писал:

«Непонятно, каким образом неодушевленная косная материя, без посредства чего-либо иного, что нематериально, могла бы действовать  на другое тело без взаимного прикосновения. Что тяготение должно быть врожденным, присущим и необходимым свойством материи, так что одно тело может взаимодействовать с другим на расстоянии, через пустоту, без участия чего-то постороннего, при посредстве чего и через что их действие и сила могли бы передаваться от одного к другому, это мне кажется столь большим абсурдом, что я не представляю себе, чтобы кто-либо, владеющий способностью компетентно мыслить в области вопросов философского характера, мог к этому прийти».

Таким образом, Ньютон сам не стоял на позициях дальнодействия. Однако последователи его – Роджер Коте и позднее черногорец Бошкович пришли в конце концов к тому, что тяготение – столь же существенное свойство материи, как протяженность, способность к движению и т.п. Другими словами, они пришли к тому, что промежуточная среда для взаимодействия не нужна – они пришли к «дальнодействию».

Шарль Огюстен Кулон в начале своей  научной деятельности написал несколько  трактатов о скручивании нитей, волос, тонких проволок. Его глубокие знания в этом вопросе позволили  создать всем известные «крутильные  весы», на которых он изучал силу взаимодействия двух электрических зарядов.

Результат опытов был поразителен: сила взаимодействия зарядов в пустоте, точно так  же, как и ньютоновская сила тяготения, зависела лишь от величины зарядов и расстояний между ними. Пустота, находившаяся между зарядами, по мнению Кулона, никаким образом не входила в формулу вполне справедливо, так как «там ничего не было» и никакого механизма передачи от первого заряда к некоторому участку пространства, затем к другому, третьему и так до второго заряда, – механизма, потребовавшего бы неизбежно некоторого времени для передачи усилий, представить себе было невозможно.

Кулон был твердо убежден, что промежуточная  среда во взаимодействии участия  не принимает, взаимодействие происходит на расстоянии без ее участия и, следовательно, мгновенно.

Открытие  закона взаимодействия электрических  зарядов, в точности повторяющего «по  конструкции» законы Ньютона и Кулона, утвердило французских физиков  в справедливости концепции «мгновенного дальнодействия».

Теории  великих французов были прекрасно  математически обработаны и, в общем, выстраивались в довольно изящную  и цельную теорию.

Воззрения Фарадея в корне расходились  с такими представлениями. Он, как  мы уже упоминали, не знал математики. Это был «ум, который никогда  не погрязал в формулах», по выражению  Эйнштейна.

Максвелл  писал впоследствии: «Может быть, для  науки является счастливым обстоятельством  то, что Фарадей не был собственно математиком, хотя он был в совершенстве знаком с понятиями пространства, времени и силы. Поэтому он не пытался углубляться в интересные, но чисто математические исследования, которых требовали его открытия. Он был далек от того, чтобы облечь свои результаты в математические формулы, либо в те, которые одобрялись современными ему математиками, либо в те, которые  могли бы дать начало новым начинаниям. Благодаря этому он получил досуг, необходимый для работы, соответствующей его духовному направлению, смог согласовать идеи с открытыми им фактами и создать если не технический, то естественный язык для выражения своих результатов».

И вот  этим-то «если не техническим, то естественным»  языком смог выражать Фарадей сложнейшие понятия, которые легли в основу максвелловой теории. Реалистически мыслящий Фарадей, докапывающийся до самых основ, проверяющий всех и вся, органически не мог примириться с теориями великих французов, касающимися мгновенной передачи действия на расстоянии от одного тела к другому без посредства промежуточной среды. Он был абсолютно убежден в том, что «материя не может действовать там, где ее нет». Поэтому Фарадею понадобилась какая-то материальная среда, заполняющая даже «пустое» пространство и через которую от точки к точке передается электрическое и магнитное воздействие.

Среду, через которую передается воздействие, Фарадей назвал «полем». Поле, считал он, пронизано магнитными и электрическими «силовыми линиями»., Увидеть силовые линии, по Фарадею, очень просто. Например, чтобы увидеть магнитные силовые линии, достаточно насыпать железные опилки на бумагу и поднести снизу магнит.

Электрическое поле можно «увидеть», если продолговатые  кристаллики какого-либо диэлектрика (например, кристаллы хинина) взболтать («взмутить») какой-либо достаточно вязкой жидкости (например, в касторовом масле): кристаллики в электрическом  поле образуют картину, напоминающую опилочную.

Силовые лини одновременно определяют направление  и величину силы, действующей на заряд.

«Фарадей, – писал Максвелл, – своим  мысленным оком видел силовые  линии, пронизывающие все пространство. Там, где математики видели центры напряжения сил дальнодействия, Фарадей видел промежуточный агент. Где они не видели ничего, кроме расстояния, удовлетворяясь тем, что находили закон распределения сил, действующих на электрические флюиды, Фарадей искал сущность реальных явлений, протекающих в среде».

Однако  сторонники дальнодействия не принимали всерьез теоретические построения Фарадея, хотя, разумеется, восхищались его экспериментальными результатами. Житейская логика Фарадея не могла в их глазах противостоять «высокой науке». Один из противников Фарадея писал: «Я никак не могу себе представить, чтобы кто-нибудь, имеющий понятие о совпадении, которое существует между опытом и результатами вычисления, основанного на допущении закона дальнодействия, мог бы хотя бы один момент колебаться, чему отдать предпочтение: этому ясному и понятному действию или чему-то столь неясному и туманному, как силовые линии».

Ситуация  складывалась отнюдь не в пользу Фарадея. Знаменитый американский физик Роберт Милликен писал об этом периоде развития Фарадеевских идей:

«Когда  Фарадей подтвердил свои гениальные физические идеи гениальнейшими открытиями в области электромагнетизма, он этим не завоевал своим идеям даже минимального признания. Формалисты школы  Ампера – Вебера, подобно современным  формалистам школы Маха – Авенариуса, с тайным, а иногда и с явным презрением смотрели на «грубые материальные» силовые линии и трубки, порожденные плебейской фантазией переплетчика и лабораторного сторожа Фарадея».

Нужно сказать, что на стороне приверженцев дальнодействия была и «моральная сила» – концепция «дальнодействия» лишь относительно недавно в качестве прогрессивной теории обрела права гражданства. А борьба была нелёгкой, приходилось, как говорится, сражаться насмерть со сторонниками старинной, описанной ещё Лукрецием, механистической теории «близкодействия», по которой взаимодействующие тела обязательно должны соприкасаться. Отказ от теории привел к ряду важнейших законов и теорий (закон всемирного тяготения Ньютона, закон Кулона, электродинамика Ампера).

Первым  физиком, категорически отрицавшим действие на расстоянии, был Генри  Кавендиш. Он занимался наукой исключительно  из любви к ней и не публиковал своих результатов, считая это делом  ненужным. Задолго до Кулона, и гораздо  убедительнее, он обосновал «закон Кулона», задолго до Фарадея признал  роль промежуточной среды и нашел  величину, характеризующую эту роль, – диэлектрическую постоянную. После  его смерти остался миллион фунтов стерлингов и несколько пачек  неопубликованных рукописей. Разобрав эти рукописи, Максвелл поразился: многие мысли Кавендиша, высказанные сто  лет назад, не потеряли своей ценности. Большинство же открытий Кавендиша  после него было повторено другими  учеными – еще одно доказательство неизбежности открытий, когда приходит их час.

Кавендиш  был сказочно богат и столь  же оригинален. Он жил в своем  родовом замке отшельником. Прислуге было приказано никогда не появляться ему на глаза, распоряжения передавались при помощи записок. Женщин он панически  боялся. Он был одержим пунктуальностью. Каждый его новый костюм был точной копией предыдущего с учетом происшедших  изменений фигуры. За сорок лет  он ни разу не положил в клубе, где  он обедал раз в неделю, своей  шляпы на другое место. Он почти всегда молчал и открывал рот лишь для того, чтобы сообщить нечто из ряда вон выходящее. Может быть, его нежелание публиковаться объяснялось тем, что он считал свои исследования недостаточно важными и интересными для других? А может быть, он считал всяческую суету с публикацией статей недостойной истинного джентльмена?

Важность  победы сторонников дальнодействия на том этапе очевидна. Максвелл писал:

«Хотя хрустальные сферы, к которым  прикреплены планеты, и были уже  удалены, но планеты еще плавали  в вихрях Декарта. Магниты были окружены истечениями, а наэлектризованные  тела – атмосферами, но свойства этих истечений и атмосфер ничуть не были похожи на свойства обыкновенных истечений  и атмосфер».

От всех теорий, тормозивших развитие науки, нужно было избавляться. И сторонники дальнодействия отлично справились с задачей.

Но точно  так же в середине XIX века «дальнодействие» вновь должно было уступить место «близкодействию» – на сей раз в прогрессивной концепции силовых линий и электромагнитного поля. А пока теория электричества находилась в состоянии идейного разброда.

В каком-то смысле можно по-человечески понять «формалистов школы Ампера – Вебера», которые в штыки приняли возродившуюся  в ином обличье фарадеевского «поля» гипотезу «близкодействия».

Нам, разумеется, нетрудно было бы их примирить –  знание закона отрицания отрицания могло бы обуздать разыгравшиеся страсти. Развитие науки идет по спирали; человечество через определенный срок вновь подходит к, казалось бы, заброшенной в анналах истории теории, но уже овладевшим новыми знаниями, на более высоком уровне понимания процессов. Однако для «великих французов» законы диалектики писаны не были, и они свысока, с язвительной иронией относились к фарадеевскому «полю» и «силовым линиям».

Именно  в это время двадцатипятилетний Максвелл начинает свою борьбу за фарадеевскую теорию. Все глубже изучает он «Экспериментальные исследования по электричеству», уникальное в истории науки сочинение, своеобразный дневник раздумий гениального ученого.

«Фарадей, – писал Максвелл, – показывает нам свои как неудачные, так и  удачные эксперименты, как свои не созревшие идеи, так и идеи разработанные, и читатель, сколько бы ни был  ниже его по своей способности  индуктивного мышления, чувствует скорее симпатию, чем восхищение, и приходит к искушению поверить в то, что при случае и он сделал бы эти открытия...

Фарадей по профессии не был математиком. В его описаниях мы не находим  тех дифференциальных и интегральных уравнений, которые многим кажутся  непременным атрибутом «настоящей»  науки. Откройте труды Пуассона или  Ампера, вышедшие до Фарадея, или Вебера и Неймана, которые работали после  него, и вы увидите, что каждая страница пестрит формулами, ни одну из которых  Фарадей просто не понял бы».

Но внешняя  непритязательность фарадеевского труда была обманчивой. Известный немецкий физик Гельмгольц, например, вспоминал, как он «часами высиживал, застряв на описании силовых линий, их числа и напряжения».

Вчитываясь  в страницы «Экспериментальных исследований», Максвелл увидел, что упреки «в нематематичности воззрений» Фарадея были несправедливыми.

«Когда  я стал углубляться в изучение работ Фарадея, – писал Максвелл, – я заметил, что метод его  понимания тоже математичен, хотя и не представлен в условной форме математических символов. Я также нашел, что метод может быть выражен в обычной математической форме и таким образом может быть сопоставлен с методами признанных математиков».

Но не форма волновала Максвелла. Он искал  и непрерывно находил в трудах Фарадея прежде всего новые прогрессивные физические воззрения.