Ирина Радунская – Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки (страница 36)

Эрстед изучал влияние электрического тока на намагниченную иглу. Он протянул прямолинейный провод вдоль стрелки компаса, указывающей на север и юг. Когда провод был присоединен к электрической батарее, стрелка компаса повернулась поперек своего начального положения. Эрстед был потрясен. Он понял, что сила, действующая между магнитным полюсом и элементом тока, направлена не вдоль соединяющей их прямой, а в поперечном направлении. Эрстед назвал эту силу «поворачивающей силой». Статья Эрстеда была написана по-латыни. В то время мода на латынь миновала и большинство научных журналов выходило на живых языках. Переводчик, а он, несомненно, был ученым, работавшим в близкой области, не был уверен в том, что правильно понял Эрстеда, и в примечании дал латинский оригинал той части его статьи, где говорилось о «поворачивающей силе». В таком же замешательстве были и читатели. Экспериментаторы проверили и подтвердили опыты Эрстеда. Био и Савар установили зависимость этой силы от расстояния, а затем была определена и ее зависимость от силы тока. Но причина «поперечности» направления действия силы оставалась совершенно непонятной.

Так появился первый факт, противоречащий самому духу ньютоновской механики.

Следуя методам Ньютона и используя гипотезу светоносного эфира, Фарадей объяснил явление магнетизма действием особых натяжений эфира. Ему удалось сделать еще один шаг. Огромный шаг. Связать между собой электрические и магнитные явления. Так возникли законы электромагнитной индукции.

Следующий шаг сделал Максвелл. Он тоже следовал методам Ньютона: отыскивать в явлениях природы общие принципы, получать из них законы, выраженные на языке математики, и извлекать из них следствия, доступные опытной проверке. При этом, однако, он смело прибегал к гипотезам и к тому, что теперь иногда называют «экспериментальной математикой», или методом математических гипотез. Он смело вводил в уравнения новые члены, добиваясь симметрии уравнений и придавая им такой вид, который лучше соответствует всей совокупности опытных фактов. При этом Максвелл искусно опирался на метод аналогий, на механические модели, ибо он стремился строить теорию электричества и магнетизма на основе механики Ньютона.

Исходным принципом было единство электрических и магнитных явлений, установленное Фарадеем. Оно требовало объединения известных ранее, но выступавших как независимые, законов электричества и магнетизма: закона Кулона, описывающего взаимодействие между электрическими зарядами; закона индукции Фарадея, объяснявшего, каким образом движущийся магнит возбуждает электрический ток в металлических проводниках. Максвелл сумел найти недостающие зависимости и описать все эти разрозненные законы при помощи единой системы из четырех взаимосвязанных уравнений. Самым трудным при этом, требовавшим не только гениального предвидения, но и смелости, явилось введение в одно из уравнений дополнительного члена, никак не связанного с известными законами и, более того, с известными явлениями. Этот член нужен был для придания уравнениям симметрии, для достижения чисто математической завершенности.

Современникам, да и многим потомкам этот член казался совершенно абсурдным, ибо он соответствует электрическому току, проходящему через пустоту. Явление невиданное и казавшееся невозможным. Абсурдный член сыграл в истории развития знаний роль, аналогичную той, которая впоследствии выпала на долю легендарной «аш» (h) Планка. Чисто формальный шаг привел к пониманию физической картины Вселенной.

Максвелл не сразу осознал, что уравнения подсказали ему возможность самостоятельного существования в пустом мировом пространстве электромагнитных волн. Максвелл не сразу поддался обаянию простой картины мира, нарисованной его уравнениями. Для него было естественнее предположить, что электромагнитные волны являются движущимися волнами эфира. Ведь Максвелл, как и все его современники, находился под глубоким влиянием механики Ньютона и считал высшей целью науки объяснение всех явлений природы при помощи механики. Поэтому он настойчиво пытался построить механическую модель, способную отобразить все электромагнитные явления, в том числе и электромагнитные волны. Сохранились многочисленные эскизы различных механических конструкций, созданных воображением Максвелла на основе его уравнений. Многие из них представляют собой бесконечные наборы различных связанных между собой шестеренок, скомбинированных так, чтобы они моделировали волновые движения. Теперь нам, живущим в совершенно иную эпоху, кажется удивительным и странным, как гениальный создатель электродинамики мог надеяться на то, что ему удастся представить оптические явления при помощи комбинации движений множества шестеренок! Осознать это можно, лишь вспомнив, в какую эпоху он учился и творил.

Все усилия оставались тщетными. Модель могла иллюстрировать одно или несколько единичных явлений. Но никакая механическая модель не в силах объединить в себе всю совокупность разнообразных электромагнитных явлений. То, что у Фарадея было чрезвычайно простым, при механической трактовке становилось весьма сложным. Максвелл сам чувствовал, что созданная им теория переросла пределы возможностей механических моделей. В последующей работе он обходится без этих механических подпорок. Он стремится убрать строительные леса и формулирует теорию в замкнутой математической форме. Он пишет: «Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля потому, что она имеет дело с пространством, окружающим электрические или магнитные тела, и она может быть названа динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении…» Дальше констатации того факта, что в мировом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, Максвелл, конечно же, не мог пойти. И так это было крамольное утверждение, ниспровергающее основы. И Максвелл сосредоточился на математическом углублении своей теории. Рождалась новая наука — электродинамика. Максвелл поставил свой целью«…показать, каким образом непосредственным применением идей и методов Фарадея лучше всего могут быть выяснены взаимные отношения различных классов открытых им явлений». Он пишет: «…Я имею в виду представить фарадеевскую теорию электричества с математической точки зрения…»

На эту титаническую работу ушло десять лет. Но полученные результаты не встретили признания. Одних смущали математические гипотезы. Они считали теорию спекулятивной. Другие не могли понять ее сложной математики, принять непривычное абстрактное понятие поля. Отлично сознавая значение своей работы, Максвелл решается на необычный шаг. Он отказывается от всякой служебной деятельности и, уединившись в родном доме, в течение последующих восьми лет пишет «Трактат по электричеству и магнетизму». Этот выдающийся труд представляется нам, людям ХХI века, образцом систематичности и ясности. Основные уравнения теории вобрали в себя всю совокупность известных фактов и, как мы теперь знаем, много неизвестного ни самому Максвеллу, ни его современникам. Именно они породили крылатую фразу о том, что уравнения зачастую знают больше, чем их создатель. Ведь в то время, когда Максвелл писал свой «Трактат», многие основные выводы теории еще не были получены.

Несмотря на то, что физическое содержание уравнений Максвелла не только не могло быть проиллюстрировано при помощи механических моделей, но и не поддавалось сведению к уравнениям движения ньютоновской механики, уравнения Максвелла, по существу, чрезвычайно точно соответствовали идейным основам, заложенным Ньютоном. Уравнения Максвелла, как и уравнения движения, являются законом, вернее, математической формулировкой закона, следующего из немногих «принципов», выражающих объективные закономерности природы, в данном случае связи между электрическими зарядами, токами и магнитами. Эти уравнения, в свою очередь, объясняют всю совокупность известных опытных фактов и предсказывают новые неизвестные явления без привлечения дополнительных гипотез.

Еще одна существенная черта сближает между собой великие творения Ньютона и Максвелла. Как и уравнения механики, система уравнений Максвелла содержит постоянные множители, неполучаемые из исходных «принципов». В законе тяготения — это гравитационная постоянная, в уравнениях Максвелла это диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества. Эти множители можно определить только путем измерений. Но кощунство заключалось в том, что Максвелл приравнял к веществу… пустое пространство!

Структура уравнений Максвелла требовала, чтобы пространству, свободному от каких-либо тел, были приписаны вполне определенные свойства. И выражаться они должны численными значениями величин, имеющих смысл диэлектрической и магнитной проницаемости пустого пространства.

Людям той эпохи казалось недопустимым думать о каких-то конкретных характеристиках совершенно пустого пространства, и было вполне естественно приписать эти проницаемости эфиру, заполняющему пространство. Поэтому те, кто верил в эфир, были довольны: существование эфира получило как бы новое подтверждение. Максвелл же не ставил себе целью утверждать или отвергать эфир, он размышлял над новой загадкой, которую преподнесли ему его уравнения. Загадка таилась в удивительном совпадении значения квадратного корня из произведений диэлектрической и магнитной проницаемости эфира с величиной скорости света в пустоте… Именно этот намек послужил для Максвелла убедительной основой, чтобы считать свет одним из видов электромагнитных воли…